堆垛缺陷对h-BN光电性质影响的第一性原理研究

论文摘要

层状类石墨六角氮化硼,由于其独特的物理性质和化学性质,近年来备受人们的关注。极高的化学稳定性和耐热性使其在真空甚至是氧气环境下都能稳定存在。由于其层间极其容易滑动而被用做一种天然存在的优良润滑剂;优良的导热性能常被用做良的热导体;较宽的带隙使其具有良好的绝缘性质。除此之外六角氮化硼还被大量使用在医学以及航天工程上。近年来高纯度六角氮化硼单晶的成功制备并发现其在深紫外波段（215nm）处具有强烈的带边发光,而被认为是深紫外发光器件的最佳材料。虽然人们对六角氮化硼有着多年的研究,但实验上和理论上对六角氮化硼的电子结构仍存在较大的争议,包括能带带隙类型以及带隙值的大小都没有统一的认识。鉴于此,本文利用基于密度泛函理论框架下的第一性原理方法,系统分析了h-BN完整堆垛在引入本征堆垛缺陷情况下的电子结构并取得如下研究成果:1.本文系统研究了h-BN五种基本堆垛AA,AB,AD,AE,AF的结构性质,并系统分析了其在本征堆垛体系引入堆垛缺陷时体系的缺陷形成能。缺陷形成能大约在-58meV55meV之间,如此小的缺陷形成能表明h-BN中堆垛缺陷很容易出现。由此可见h-BN很难以单一堆垛的形式存在,无序堆垛形式是h-BN更可能的存在形态;2.我们对比分析了基于经验的L-J势和第一原理PAW-LDA方法获得的h-BN五种不同堆垛出现堆垛缺陷时的形成能。研究发现L-J势能随不同堆垛缺陷的变化趋势和我们应用基于PAW-LDA交换关联势所计算的不同体系总能随堆垛缺陷变化的趋势是一致的。两种方法计算结果的一致性验证了我们计算分析方法的适用性;3.系统分析了h-BN五种完整堆垛及其出现不同单层堆垛缺陷后对h-BN体系的电子结构以及光学性质的影响。通过计算电子在布里渊区内价带顶和导带底不同k点之间跃迁的电子跃迁声子辅助能量,我们发现类AE堆垛缺陷在其带隙类型转化中扮演重要角色:h-BN出现类AE堆垛次序的单层缺陷层时,电子跃迁声子辅助能量迅速减小,其体系由间接带隙转化为准直接带隙或直接带隙。同时我们发现电子跃迁声子辅助能量随类AE堆垛缺陷浓度变化并不敏感;4.通过h-BN五种基本堆垛及其缺陷结构介电函数虚部的分析发现,堆垛缺陷对h-BN光学性质有较大的影响,介电峰和发光带边变化范围分别达到:-313meV179meV和-763meV33meV。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 h-BN 的性质和应用
• 1.2 h-BN 中的堆垛缺陷
• 1.3 h-BN 的研究现状
• 1.4 本论文的研究目的和内容
• 第二章 理论基础与计算方法
• 2.1 密度泛函理论
• 2.2 交换关联泛函
• 2.2.1 局域近似交换关联泛函
• 2.2.2 广义梯度近似交换关联泛函
• 2.3 赝势方法和全电子方法
• 2.3.1 赝势方法
• 2.3.2 全电子方法
• 2.4 计算方法和模型
• 2.4.1 能带和态密度
• 2.4.2 电子跃迁声子辅助能量
• 2.4.3 介电函数
• 2.4.4 缺陷形成能和L-J 势能
• 第三章 堆垛缺陷对h-BN 电子结构的影响
• 3.1 h-BN 的结构性质
• 3.2 h-BN 堆垛缺陷形成能和层间L-J 势能
• 3.3 存在堆垛缺陷体系的电子结构
• 3.3.1 h-BN 五种本征堆垛能带结构
• 3.3.2 堆垛缺陷对h-BN 态密度的影响
• 3.3.3 堆垛缺陷对h-BN 体系电子跃迁声子辅助能量的影响
• 3.3.4 h-BN 缺陷结构局域电荷密度
• 3.3.5 类AE 堆垛缺陷浓度变化对体系电子结构的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 堆垛缺陷对h-BN 光学性质的影响
• 4.1 引言
• 4.2 h-BN 的光学性质
• 4.3 堆垛缺陷对h-BN 光学性质的影响
• 4.3.1 堆垛缺陷对介电函数虚部特征峰的影响
• 4.3.2 堆垛缺陷对h-BN 完整堆垛带边发光的影响
• 4.4 h-BN 激子类型的GW 探索
• 4.4.1 激子
• 4.4.2 GW 方法简介
• 4.4.3 GW 方法对h-BN 带隙的修正
• 4.4.4 GW 方法计算h-BN 的光学性质
• 4.4.5 GW 方法计算h-BN 激子束缚能
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 论文总结
• 5.2 论文展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表和完成的论文