畢業(yè)論文題目：Sb2Te3拓?fù)浣^緣體材料的第一性原理計算院（系）： 數(shù)理學(xué)院 年 級： 2010級 專 業(yè)： 物理學(xué) 班級： 物理學(xué)2010本科（1）班 學(xué)號： 100514027 姓名： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 2014年5月 Sb2Te3拓?fù)浣^緣體材料的第一性原理計算【摘要】：使用基于第一性原理的密度泛函數(shù)理論贋勢平面波的方法，對Sb2Tea的能帶結(jié)構(gòu)，態(tài)密度進行了理論計算，由能帶的計算表明 Sb2Te3是一種直接帶隙半導(dǎo)體，它的禁帶寬度是O.lleV；并且它的能態(tài)密度主要是取決于Sb的層電子和Te的 層電子的能態(tài)密度，經(jīng)過認(rèn)真比較，計算結(jié)果和現(xiàn)有實驗數(shù)據(jù)比較吻合。【尖鍵詞】：Sb2Tea；第一性原理；電子結(jié)構(gòu)引言；近幾年凝聚態(tài)物理學(xué)中出現(xiàn)的一個最新的研究領(lǐng)域-拓?fù)浣^緣體，他是一種新型的量子物質(zhì)態(tài)。在拓?fù)浣^緣體中，電子能帶的拓?fù)湫再|(zhì)可以產(chǎn)生很多新鮮奇特的物性，使他很有希望低能耗的自旋電子器件和容錯量子計算中得到應(yīng)用，而對與信息技術(shù)，這兩個領(lǐng)域的進展將有可能對其產(chǎn)生革命性的影響。 因此拓?fù)浣^緣體一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，便迅速引起了人們研究興趣。中科院在近幾年中對拓?fù)浣^緣體的研究取得了很大進展。 其首先實現(xiàn)了高質(zhì)量Sb2Te3薄膜的分子束外延生長(MBE)。實現(xiàn)了對Sb2Te3薄膜中缺陷的濃度以及類型的有效控制。并且實現(xiàn)了對 Sb2Tea薄膜的費米面在整個體能隙范圍內(nèi)的有效調(diào)節(jié)，特別是其費米面能夠穿過狄拉克點達到表面態(tài)電荷中性點 E；首次證實了Sb2Te3表面態(tài)的準(zhǔn)粒子壽命幾乎不受本征替代缺陷的影響，只會受到電子相互作用影響。同時，證實了 Sb2Te3表面態(tài)具有幾乎完美的線性色散尖系，并且確定了其作為三維拓?fù)浣^緣體的厚度極限是 4層【8】；1?理論模型與計算方法1.1理論模型本文采用的計算模型是具有菱形六面體結(jié)構(gòu)的sb2Te3他屬于Ra-MH的空間群，晶格常數(shù)為a=b=c=1.045nm 面角a=B=90°,丫=1每0°晶胞中包含6個(sb)原子，9個確(te)原子，晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示:1.2計算方法本文使用的是基于第一性原理密度泛函理論方法，使用CASTEP軟件，使用總能量的平面波贋勢方法，將離子勢用贋勢替代，并讓電子波函數(shù)用平面波基組展開,用局域密度近似（LDA）或廣義梯度近似（GGA）將電子與電子相互作用的交換和相尖勢進行校正，它是現(xiàn)在較為準(zhǔn)確的電子結(jié)構(gòu)計算的理論方法?首先采用BFGS算法⑷（由Broyden,Fletcher,Goldfarb和Shanno提出的一種能對固定外應(yīng)力的晶胞進行優(yōu)化的算法）對晶體模型進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將原胞中的價電子波函數(shù)用平面波基矢進行展開，并設(shè)置平面波截斷能量Ecut=205eV,迭代過程中的收斂精度為1X10-6eV.選取局域密度近似（LDA）來處理交換尖聯(lián)能部分，離子勢采用超軟（ultrasoft）贋勢廣】，布里淵區(qū)積分采用Monkhors-Pack（6）形式的高對稱特殊k點方法,k網(wǎng)格點設(shè)置為4X4X4,能量計算都在倒易空間中進行.2?計算結(jié)果與討論2.1能帶結(jié)構(gòu)通過GGA近似處理交換尖聯(lián)泛函，超軟贋勢處理離子實與價電子之間的相互作用，平面波基組描述體系電子的波函數(shù)，經(jīng)過計算得到了Sb2Te3沿布里淵區(qū)高對稱點方向的能帶結(jié)構(gòu)。如下圖為Sb2Tea的能帶結(jié)構(gòu)

F其中虛線表示費米能級，從圖中可以看出，Sb2Tea的能帶結(jié)構(gòu)比較緩和，并且導(dǎo)帶的最低點和價帶的最高點在同一個 K點處，因此為直接帶隙，導(dǎo)帶和價帶之間的能系較小但是并不為零，約為O」leV,因此Sb2Te3是可以導(dǎo)電的，但是其費米能級穿過價帶的頂部，體現(xiàn)了典型的絕緣體特征，因此， Sb2Te3材料的拓?fù)浣^緣體是帶隙為0.11的直接帶隙的半導(dǎo)體。2.2電子態(tài)密度由圖所示為計算得到的Sb2Tea總態(tài)密度圖和部分態(tài)密度圖，其中虛線為費米能級。DensityofStates(eletrons/ev)總態(tài)密度圖:

Sb原子態(tài)密度圖:DensityofStates(eletron^ev)5.04.5s■■■■c4.0.r3.5-t3.0??2.5-<t ■?1■??????2.0-1.5-■d ???i q; ??八.?\1.0. ?* ??1:■ t??■0.5-■?/777\VZ\■—一'?\0.0-? 1 r I ?-6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14Energy/evTe原子態(tài)密度圖：由總態(tài)密度圖，在費米能級處，態(tài)密度很小，因此能夠填入電子的能級很少。在電子的能量較小的范圍內(nèi)(?6~?4eV),Sb2Tes的態(tài)密度主要由Sb的5p態(tài)和Te的5p態(tài)電子構(gòu)成，Sb的5s態(tài)電子和Te的5s態(tài)電子也有較小的貢獻；在-4--2eV的能量范圍內(nèi),Sb2Tea的態(tài)密度主要由Sb的5p態(tài)電子和Te的5p態(tài)電子構(gòu)成，Sb的5s態(tài)電子和Te的5s態(tài)電子也有較小的貢獻；在-2-0eV的能量范圍內(nèi)，SbsTea的態(tài)密度主要由Sb的5s態(tài)和Te的5p態(tài)電子構(gòu)成，Sb的5p態(tài)電子和Te的5s態(tài)電子也有較小的貢獻；在0-4eV的能量范圍內(nèi)，Sb2Tea的態(tài)密度主要由Sb的5p態(tài)電子和Te的5p態(tài)電子構(gòu)成，Sb的5s態(tài)電子和Te的5s態(tài)電子也有較小的貢獻；在4~8eV的能量范圍內(nèi),Sb2Tea的態(tài)密度主要由Sb的5s態(tài)電子和Te的5s態(tài)電子構(gòu)成,Sb的5p態(tài)電子和Te的5p態(tài)電子也有較小的貢獻，因此,SbTes價帶主要是由Sb的5p和5s及Te的5p態(tài)電子構(gòu)成，導(dǎo)帶主要由Sb的5p和5s及Te的5p和5s態(tài)電子構(gòu)成.參考文獻 BroydenCG?Theconvergenceofaclassofdoublerankminimizationalgorithms,2Thenewalgorithm.JInstMathAppl,1970,6:222—231[DOI]FletcherR?Anewapproachtovariablemetricalgorithms.ComputJ,1970,13(3):317—322[DOI]GoldfarbD.Afamilyofvariable-metricmethodsderivedbyvariationalmeans.MathComput,1970,24(109):23—26[DOI]ShannoDF.Conditioningofquasi-Newtonmethodsforfunctionminimization.MathComput,1970,24:647—656[DOI]VanderbiltD?Softself-consistentpseudopotentialsinageneralizedeigenvalueformalism.PhysRevB,1990,41:7892—7895[DOI]MonkhorstHJ,PackJD.SpecialpointsforBrillouin