寬帶半導體材料的電子機構與性質

楊海鷗

摘 要以密度泛函理論為基礎，選擇寬帶半導體材料CdAl2S4為研究對象，從晶格結構、能帶結構方面，對其電子機構進行了研究，從彈性性質與光學性質兩方面對其性質進行了分析。

【關鍵詞】寬帶半導體材料 電子機構 性質

Ⅱ-Ⅲ2-Ⅳ4型三元化合物，為具有缺陷黃銅礦結構的寬帶半導體材料，材料電子機構優化性強，彈性以及光學性質好，用于光學設備乃至電光器件等的制造中，在提高設備性能方面，價值顯著。本文以密度泛函理論為基礎，對缺陷黃銅礦結構半導體CdAl2S4的電子機構、彈性及光學性質進行了分析：

1 寬帶半導體材料模擬計算方法

以密度泛函理論為基礎進行模擬計算。將CdAl2S4拆分開來，分為Cd、Al以及S三個部分，三者的價電子組態存在一定差異，Cd電子組態為4d105s2、Al電子組態為3s23p2、S電子組態為3s23p4。電子與電子之間存在的交換關聯勢，以PBE泛函作為基礎進行描述。參數設計情況如表1。

從表1中可以看出，半導體材料參數如下：

（1）動能截斷值：500eV。

（2）布里淵區k點網格8×8×4。

（3）原子作用收斂標準：10-3eV/A。

（4）自洽精度：10-6eV/atom。

2 寬帶半導體材料的電子機構與性質

2.1 寬帶半導體材料的電子機構

從晶格結構、能帶結構方面，對寬帶半導體材料CdAl2S4的電子機構進行了研究：

2.1.1 晶格結構

寬帶半導體材料CdAl2S4的原子中，不同原子的空間占位不同，具體如表2。

考慮不同原子在空間占位方面存在的差異，應首先采用晶格優化的方法，提高材料結構本身的穩定性，CdAl2S4的晶格結構參數以及鍵長如下：Cd-S鍵長2.577、Al1-S鍵長2.279、Al2-S鍵長2.272。a實驗值2.553，計算值5.648。

2.1.2 能帶結構

寬帶半導體材料CdAl2S4的能帶結構如圖1。

圖1顯示，寬帶半導體材料CdAl2S4的價帶主要由三部分所構成，分別為低價帶、高價帶與最高價帶：

（1）低價帶：低價帶即能量最低的價帶，包括S的s態以及Al的s態等部分，通過對半導體材料CdAl2S4的低價帶的觀察可以發現，S與Al兩者中所包含的原則，具有較高的結合性質。

（2）高價帶：與低價帶相比，高價帶的能量相對較高，判斷與Cd原子有關。觀察圖1可以看出，半導體材料CdAl2S4高價帶Cd-d態的局域性較強。

（3）最高價帶：最高價帶的能量最高，一般在-5.4-0eV之間，該價帶包括上下兩部分，兩部分所包含的能態各不相同。以導帶部分為例，其能態一般在3.395eV-6.5eV之間。

2.2 寬帶半導體材料的性質

從彈性性質、光學性質兩方面，對寬帶半導體材料CdAl2S4的性質進行了分析：

2.2.1 彈性性質

晶體相鄰原子的成鍵性質等，與彈性性質存在聯系。從寬帶半導體材料CdAl2S4的各向異性因子，該材料的彈性性質呈現各向異性的特點。

寬帶半導體材料CdAl2S4的延展性與脆性，與彈性同樣存在聯系，簡單的講，材料的延展性與彈性呈正相關，材料脆性與彈性，則呈負相關。通常情況下，材料的延展性與脆性如何，可以采用體模量與剪切模量之間的比值來確定，當兩者之間的比值在1.75以下時，說明材料的延展性較差，脆性較強，彈性性質較差。相反，當兩者之間的比值在1.75以上時，則說明材料的延展性較強，脆性較弱，彈性性質較強。

通過對寬帶半導體材料CdAl2S4體模量與剪切模量之間的比值的計算可以發現，比值為1.876，較1.75大，可以認為，該材料的延展性較強，脆性較弱，彈性性質較強。

2.2.2 光學性質

半導體材料的光學性質，屬于其物理性質中極其重要的一方面，在光學儀器等的研制過程中，對半導體材料的光學性質十分重視。寬帶半導體材料CdAl2S4的本質來看，該材料晶體為四方晶系單光軸晶體，各向異性顯著。

將光譜能量確定為0-20eV，對材料的光學性質進行了研究，發現半導體材料CdAl2S4的光子能量在3.5eV以下以及12.5eV以上的區域，而不存在在兩者之間，可以認為，該材料晶體的光學性質具有各向異性。另外，研究顯示，該材料的反射系數可達到0.85，強放射峰在紫外區域，可以認為，寬帶半導體材料CdAl2S4具有紫外探測以及紫外屏蔽的光學性質。

3 討論

寬帶半導體材料CdAl2S4電子機構相對穩定，延展性較強，脆性較弱，彈性性質較強，具有紫外探測以及紫外屏蔽的光學性質。未來，應對寬帶半導體材料的性質進行進一步的研究，以開發出該材料的更多功能，確保其價值能夠得到更好的發揮。

4 結論

鑒于寬帶半導體材料CdAl2S4在電子機構以及彈性性質和光學性質方面存在的特點及優勢，可以將其應用到紫外探測以及紫外屏蔽等材料的研制過程中，使之優勢能夠得到充分的發揮，為社會各領域的發展發揮價值。

參考文獻

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作者單位

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