閃鋅礦(GaSb)m(ZnTe)n超晶格光學(xué)性質(zhì)的研究.pdf

1、本文通過第一性原理基本方法，研究計(jì)算GaSb/ZnTe超晶格材料的基本電子和光學(xué)性質(zhì)?；诿芏确汉纠碚?，采用HSE06函數(shù)，運(yùn)用Hartree-Fock基本方法。通過對(duì)閃鋅礦材料晶體結(jié)構(gòu)的研究，以及對(duì)超晶格材料基本理論方法的應(yīng)用，尋找性質(zhì)優(yōu)異的超晶格材料。在計(jì)算過程中我們統(tǒng)一采用PBE贗勢。對(duì)新建的所有結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，讓這些結(jié)構(gòu)收斂到穩(wěn)定的位置，以減小晶格形變帶來的計(jì)算誤差。同時(shí)嚴(yán)格的控制了計(jì)算精度，實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的理論預(yù)測。然后

2、，通過對(duì)這一類超晶格的性質(zhì)計(jì)算和數(shù)據(jù)研究分析，尋找性質(zhì)優(yōu)異的材料運(yùn)用于太陽能電池和LED發(fā)光。
　　首先，研究閃鋅礦材料的基本性質(zhì)。我們發(fā)現(xiàn)閃鋅礦材料GaSb和ZnTe，它們在光學(xué)方面具有一定的優(yōu)勢，同時(shí)也受到一定的限制。我們希望運(yùn)用超晶格的基本方式，來實(shí)現(xiàn)對(duì)這兩種材料光學(xué)性質(zhì)的改進(jìn)。閃鋅礦GaSb和ZnTe的晶格系數(shù)比較接近，晶格匹配性很好。所以，用來構(gòu)建超晶格是相對(duì)可行的。重構(gòu)的GaSb/ZnTe超晶格結(jié)構(gòu)，由于計(jì)算資源的限制

3、。我們嚴(yán)格的控制了晶體結(jié)構(gòu)的原子數(shù)目，并且只選取了[001]、[110]和[111]三個(gè)特殊的晶格生長方向。當(dāng)原子數(shù)目和生長方向確定后，采用排列組合的基本方法構(gòu)建超晶格結(jié)構(gòu)，利用晶體對(duì)稱性消去重復(fù)的晶體結(jié)構(gòu)。
　　然后，對(duì)這類材料進(jìn)行基本的理論計(jì)算。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，對(duì)于ZnTe和GaSb的躍遷矩陣元，它們的躍遷矩陣元主要集中在Γ點(diǎn)附近，遠(yuǎn)離Γ點(diǎn)的數(shù)值較小。由于躍遷矩陣元正比于躍遷概率，所以遠(yuǎn)離Γ的躍遷的概率也就相對(duì)較小。對(duì)GaSb/Zn

4、Te超晶格的躍遷矩陣元的分析發(fā)現(xiàn)。在不同的晶格生長方向上，這類晶格的躍遷矩陣元存在很大的差異，在[110]和[111]晶格生長方向上較為優(yōu)異。對(duì)GaSb/ZnTe超晶格的帶隙分析發(fā)現(xiàn)。在[001]、[110]和[111]三個(gè)晶格生長方向，這些超晶格的帶隙較好的覆蓋了一定區(qū)域類的可能帶隙數(shù)值。通過重復(fù) Shocldey-Queisser的基本理論。分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)材料的帶隙間于1.0-1.5ev時(shí)，對(duì)光吸收的效率才能達(dá)到較高的位置。對(duì)于[110

5、]和[111]晶格生長方向的晶體材料，它們的帶隙大多數(shù)處于這個(gè)范圍內(nèi)，所以對(duì)光吸收轉(zhuǎn)換效率具有一定的優(yōu)勢?？紤]上述基本性質(zhì)之后，對(duì)于材料的應(yīng)用還得考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在本文，我們還計(jì)算這類材料的合成能。相對(duì)而言，越穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)合成能也就越低。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，合成能較低的結(jié)構(gòu)主要存在于[110]晶格生長方向，也就是說這個(gè)方向的晶體結(jié)構(gòu)比其它方向要穩(wěn)定。
　　再則，通過上述條件篩選出了一些性質(zhì)優(yōu)異的超晶格結(jié)構(gòu)。為了驗(yàn)證方法的可行性和計(jì)算的科學(xué)性

6、，同時(shí)更好的分析了解超晶格在光吸收系數(shù)方面的基本性質(zhì)。我們計(jì)算了GaSb/ZnTe超晶格和常見太陽能電池材料的吸收系數(shù)。通過參照AM1.5標(biāo)準(zhǔn)譜線，對(duì)比分析超晶格與常見太陽能電池的吸收特性。驗(yàn)證了我們篩選新結(jié)構(gòu)的方法，是科學(xué)可行的。分析發(fā)現(xiàn) GaSb/ZnTe超晶格的吸收系數(shù)，主要集中在1.0-1.5ev之間，在這個(gè)范圍內(nèi)能夠獲得相對(duì)較多的太陽能。對(duì)于太陽能電池轉(zhuǎn)換效率來講，這些超晶格可以獲得更理想的截?cái)嚯娫春烷_路電流，達(dá)到對(duì)太陽能轉(zhuǎn)換

7、效率的提升。
　　最后，為了獲得更確切的理論支撐。我們計(jì)算了一部分超晶格結(jié)構(gòu)對(duì)可見光吸收的極限效率（Spectroscopic Limited Maximum Efficiency）。通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，我們現(xiàn)這類材料的吸收效率很理想。最大吸收效率可以達(dá)到31.38737％。充分說明了這類材料在太陽能電池的應(yīng)用方面具有較大的發(fā)展?jié)摿?。由于這類材料的巨大發(fā)展?jié)撡|(zhì)，以及理想的光學(xué)帶隙。我們還發(fā)現(xiàn)這類材料在LED發(fā)光方面具有一定的發(fā)展