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以氮化镓(GaN)为代表的Ⅲ族氮化物具有禁带宽度大、击穿场强高、介电常数小等优点,且物理和化学性质稳定,在蓝光及紫外光等电器件中有重要应用。目前,Ⅲ族氮化物已成为实验及理论上研究的前沿和热点之一,并取得了引人瞩目的进展。然而实验上对Ⅲ族氮化物及其纳米级结构性质的测量和表征具有较大的局限性。随着理论方法的不断完善,材料计算模拟已经成为一种有效的研究手段。近年来,第一原理计算方法取得了引入瞩目的进展,已成为科学研究的一个非常重要的工具。然而第一性原理难以处理原子数较多的复杂材料体系。而基于原子间相互作用势的原子级模拟则可以弥补这方面的不足。因此,在发展第一原理计算的同时,材料物理方面的研究人员也一直在探索准确而简洁获得原子间相互作用势的方法。迄今为止,Ⅲ族氮化物已经发展了众多原子间相互作用势,如:Keating势,Buckingham势,Stillinger-Weber势,Embedded-atom method势,Tersoff势,Tight-binding势和Analytical bond-order势等,但这些原子间相互作用势的适用范围或多或少都有一定的局限性。因此,继续寻找形式更加完善,功能更加全面的多体势显得十分必要。
在本文中,通过搭建虚拟结构,我们在晶格反演方法基础上获得了Ⅲ族氮化物的三体原子间相互作用势。首先构建可区分三体相互作用的虚拟结构,拟合它们之间的能量差曲线获得原子间相互作用势三体部分;然后应用变电荷模型考虑电荷随配位环境的变化确定长程库仑作用;最后用多重晶格反演方法提取短程对势贡献。随后进行有关反演势的检验:在静态力学性质方面,改进的晶格反演势能更好地描述Ⅲ族氮化物B1,B3,B4,B81,Bk和h-MgO等结构的晶格常数,体弹模量及弹性系数,相比晶格反演对势和传统原子间相互作用势可移植性要强很多;通过计算了Ⅲ族氮化物的高压性质,证明了三体势能适用于非平衡位置的原子级模拟。最后计算了GaN复相结构纳米线的结构性质,发现这种复相结构纳米线要靠三体相互作用的描述猜能体现。总之,新的虚拟晶格反演方法成功获得了Ⅲ族氮化物原子间相互作用三体势,它能适用于不同配位环境及原子间距变化较大时的原子级模拟,能更好描述配位四面体结构。这种方法为化合物半导体体系原子间相互作用势的探索和研究提供了一种新的有效方法。