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【6h】

Au/Bi掺杂碲镉汞材料的第一性原理研究

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摘要

符号说明

第一章 绪论

1.1 红外探测材料简介

1.2 HgCdTe材料的相关内容

1.2.1 HgCdTe材料概述

1.2.2 碲镉汞材料的制备

1.2.3 碲镉汞材料的应用

1.3 本文的主要研究内容

第二章 分子模拟技术

2.1 引言

2.2 分子模拟技术的常见方法

2.2.1 Monte Carlo方法(MC)

2.2.2 分子动力学方法(MD)

2.2.3 分子力学方法(MM)

2.2.4 量子力学方法(QM)

2.2.5 介观模拟方法(Mesoscale Simulation)

2.3 第一性原理计算理论

2.3.1 第一性原理计算

2.3.2 薛定谔方程

2.3.3 密度泛函理论(DFT)

2.4 VASP(Vienna Ab-inito Simulation Package)软件包

2.4.1 赝势

2.4.2 VASP的使用

第三章 Au掺杂碲镉汞材料的第一性原理研究

3.1 引言

3.2 计算方法和模型

3.3 结果和讨论

3.3.1 原子弛豫

3.3.2 成键机制

3.3.3 电学性质

3.4 本章小结

第四章 Bi掺杂Hg0.75Cd0.25Te的第一性原理研究

4.1 引言

4.2 计算方法

4.3 结果和讨论

4.3.1 Bi掺杂Hg0.75Cd0.25Te的结构弛豫分析

4.3.2 成键机制

4.3.3 电学性质

4.4 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1 论文完成的工作

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况

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摘要

近年来,随着碲镉汞红外焦平面技术的不断发展,其结构和光电特性引起了人们的广泛关注。但是,器件的探测精度仍然受到材料的电学性能、面积和均匀性等参数的限制。碲镉汞具有本征载流子浓度低、表面态密度低、光学吸收系数大等优点,是一种重要且常见的红外探测器材料。碲镉汞n型掺杂可以很容易的通过In原位取代Hg获得,并能获得很高载流子浓度。但是,目前可控的碲镉汞p型掺杂仍然是碲镉汞探测器技术发展的瓶颈。Au在碲镉汞材料中扩散系数较低,表现出良好的稳定性,并且Au杂质在碲镉汞的价带顶端形成杂质能级,Au充当受主,因此,Au是一种有效的p型掺杂剂。Cd的组分x对碲镉汞材料的电子结构和电学性质具有重要的影响。但是Au掺杂碲镉汞材料的成键机制、电学性质与Cd的组分x之间的关系仍未得到深入的研究。V族元素Bi,在碲镉汞中表现出两性的掺杂特性,即取代阳离子时为n型掺杂,取代阴离子时为p型掺杂。因此采用第一性原理计算的方法研究Bi在碲镉汞材料中的掺杂效应非常必要。
  本文采用基于密度泛函的第一性原理计算方法,采用先进的杂化泛函方法,对Hg1-xCdxTe、Au掺杂Hg1-xCdxTe(x=0.25,x=0.5,x=0.75)以及Bi掺杂Hg0.75Cd0.25Te相关的性质做了模拟计算。根据计算结果系统地研究了组分x对Au掺杂碲镉汞材料的相关性质的影响,同时对Bi在碲镉汞材料中的掺杂效应进行了细致的研究。文中我们主要分两部分对Au掺杂Hg1-xCdxTe及Bi掺杂碲镉汞相关的性质进行了计算和分析。
  (1)采用第一性原理计算方法分别计算了Hg1-xCdxTe以及Au掺杂Hg1-xCdxTe(x=0.25,x=0.5,x=0.75)的结构弛豫、电荷密度、电子局域函数、态密度和能带结构,以分析掺杂的稳定性和有效性。Au在三种组分的碲镉汞中都具有一定的稳定性,并且Au原子与第一邻近Te原子的成键强度随着组分x的增加呈现减弱趋势。另一方面,Au掺杂三种组分的碲镉汞在价带顶端都形成了浅杂质能级,表现出良好的p型掺杂性质。Au原子的掺入对组分x=0.25、x=0.5这两种组分的价带顶端作用较为明显,更容易形成p型掺杂。此外,Au掺杂三种组分碲镉汞的带隙宽度与组分x之间的表现为近似线性关系,并拟合出二者之间的线性关系式。
  (2)采用第一性原理计算方法计算了Bi掺杂Hg0.75Cd0.25Te的结构弛豫、电荷密度、电子局域函数、态密度、能带结构和能带分解电荷密度,以分析Bi掺杂的稳定性和有效性。研究表明Bi掺杂导致的两种缺陷结构中都具有一定的稳定性。Bi在Hg0.75Cd0.25Te体系中,可表现为典型的V族元素两性掺杂性质,在BiTe缺陷体系中,Bi充当受主,表现为P型掺杂,在BiHg缺陷体系中Bi充当施主,表现为N型掺杂。

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