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申博开户:学术干货丨能带组织以及态密度图的绘制及初步正文 质料牛

2019-11-22 05:02 出处:大庆新闻  人气:   评论( 0

学术干货丨能带结构和态密度图的绘制及初步分析

pengyuman 3年前 (2016-11-20) 24695浏览


【能带结构绘图和初步分析】

1.1 能带简介

在形成分子时,原子轨道构成具有分立能级的分子轨道。晶体是由大量的原子有序堆积而成的。由原子轨道所构成的分子轨道的数量非常之大,以至于可以将所形成的分子轨道的能级看成是准连续的,即形成了能带。晶体中电子所能具有的能量范围,在物理学中往往形象化地用一条条水平横线表示电子的各个能量值。能量愈大,线的位置愈高,一定能量范围内的许多能级(彼此相隔很近)形成一条带,称为能带。

在固体物理学中,固体的能带结构(又称电子能带结构,如图一所示)描述了禁止或允许电子所带有的能量,这是周期性晶格中的量子动力学电子波衍射引起的。材料的能带结构决定了多种特性,特别是它的电子学和光学性质。

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1.2能带结构的计算

能带结构目前是采用第一性原理(ab initio)计算所得到的常用信息。大致可以分为价带、禁带和导带三部分(如图一所示),导带和价带之间的空隙称为能隙,用Eg表示。计算材料的能带结构即色散曲线E(k),可以使用Materials Studio或VASP软件进行。以下将介绍用Materials Studio进行能带结构计算的基本步骤,以ZnS半导体为例:

(1)打开Materials Studio界面,点击File→ Import→ Structures→ semiconductors,选择ZnS.msi,得到ZnS.xsd文件,如图二(a)所示;

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图二 ZnS晶体结构

(2)变换风格:单击右键→ Display Style→ Atom选项中选择Ball and stick。如图二(b)所示;

(3)结构优化:计算能带结构前需进行结构优化。单击CASTEP Calculation,设置如下图三所示,点击Run进行。优化成功会自动生成GeomOpt文件夹。

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图三 结构优化

(4)能带结构计算:点击GeomOpt文件夹中的ZnS.xsd。单击CASTEP Calculation,设置如下图四所示,点击Run进行。得到CASTEP Energy文件夹。

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图四 能带结构计算

(5)能带结构图的绘制:点击CASTEP Energy文件夹中的ZnS.xsd→ CASTEP Analysis→ Band structure→ View。得到ZnS Band Structure.xcd,具体能带信息见BandStr.castep,如图五。

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图五 能带结构图

BandStr.castep中记录的信息十分详尽,包括电子数目(自旋向上与自旋向下)、能带数目、计算耗时等。

(6)初步分析:

从能带结构图中得到的信息,判断直接带隙或间接带隙、带隙、价带顶与导带底能量。在origin操作的具体步骤是:把能带图拷贝到Origin中→ 全选→ 作图,得到图六(a)。

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图六 能带结构图

具体分析如下:

①导带底与价带顶都在k空间的Γ点上,所以ZnS晶体为直接带隙。

②价带顶位于0 eV,导带顶位于2.053 eV。

③带隙为2.053 eV。

④由CASTEP Calculation中可看出布里渊区中k空间的路径由X→R→M→G,如图六(b)。

【态密度图的绘制及初步分析】

2.1 态密度简介

原则上讲,态密度可以作为能带结构的一个可视化结果。很多分析和能带的分析结果可以一一对应,很多术语也和能带分析相通。但是因为它更直观,因此在结果讨论中用得比能带分析更广泛一些。在电子能级为准连续分布的情况下,单位能量间隔内的电子态数目。即能量介于E~E+△E之间的量子态数目△Z与能量差△E之比,即为态密度。能态密度与能带结构密切相关,

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,都与能态密度有关。

2.2 态密度(DOS)的计算

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