文档介绍：硕士学位论文
半导体硅与砷化镓光学性质温度依赖性的
第一性原理研究
TEMPERATURE DEPENDENCE OF OPTICAL
PROPERTIES OF SILICON AND GALLIUM
ARSENIDE: A FIRST-PRINCIPLE STUDY
刘剑
哈尔滨工业大学
2011 年 6 月
国内图书分类号:TK124
国际图书分类号:
工学硕士学位论文
半导体硅与砷化镓光学性质温度依赖性的
第一性原理研究
硕士研究生:刘剑
导师:刘林华教授
申请学位:工学硕士
学科、专业:工程热物理
所在单位:能源科学与工程学院
答辩日期:2011年6月
授予学位单位:哈尔滨工业大学
Classified Index: TK124
.:
Dissertation for the Master Degree in Engineering
TEMPERATURE DEPENDENCE OF OPTICAL
PROPERTIES OF SILICON AND GALLIUM
ARSENIDE: A FIRST-PRINCIPLE STUDY
Candidate: Liu Jian
Supervisor: Prof. Liu Linhua
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Speciality: Engineering Thermophysics
Unit: School of Energy Science and
Engineering
Date of Defense: June, 2011
University: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
温度是影响材料热辐射物性的最为重要的状态参数之一。对材料热辐射
物性的温度依赖性的理论研究有助于理解温度影响热辐射物性的微观机理,
从而应用于辐射调控等领域以实现特定的功能。第一性原理方法因其直接从
量子力学基本方程出发的特点而被广泛地应用于预测材料的真实物性。特别
是在高温等实验条件难以达到的条件下,第一性原理方法可以有效地辅助实
验,甚至在实验的基础上对材料的真实物性做出外延性的预测。半导体材料
光学性质的温度依赖性对于半导体工业及其相关应用至关重要。尽管如此,
已有研究绝大多数为基于实验数据拟合的经验方法,直接从第一性原理出发
预测其温度依赖的光学性质的学术研究并不多见。本文以半导体材料硅和砷
化镓为例,基于第一性原理方法研究其紫外—可见光谱与红外光谱的温度依
赖性,为进一步实现材料宏观辐射特性的调控提供理论依据。
电子—声子相互作用是半导体材料紫外—可见光谱温度依赖性的物理根
源。本文结合考虑电子—声子相互作用对电子能带结构的热修正及激子效应
对激发态电子带间跃迁的影响,提出了计算半导体材料紫外—可见光谱温度
依赖性的“从头算”第一性原理方法。计算了硅室温及高温条件下的晶格热
膨胀效应及电子能带结构热修正,进一步得到温度依赖的紫外—可见光谱。
计算结果与实验结果在室温下定量符合,推广至高温条件下定性符合。分析
了温度对硅紫外—可见光谱影响的一般规律及影响计算精度的可能因素。
声子—声子相互作用是半导体材料红外光谱温度依赖性的物理根源。本
文基于阻尼谐振子模型,考虑声子—声子相互作用对声子能带结构的热修
正,提出了计算半导体材料红外光谱温度依赖性的第一性原理方法。计算了
砷化镓室温及高温条件下长波光学模声子的热位移与展宽,进一步得到温度
依赖的红外光谱。计算结果与实验结果符合一致,验证了本文所提出的方法
的可行性。分析了温度对砷化镓红外光谱影响的一般规律。进一步利用麦克
马洪公式,给出了半透明砷化镓介质薄膜温度依赖的红外辐射特性。计算了
砷化镓在其红外吸收波段的光谱发射率,并分析了温度、薄膜厚度等对砷化
镓薄膜红外辐射特性的影响。
关键词第一性原理;温度依赖性;电子—声子相互作用;声子—声子相互
作用;红外辐射特性
- I -
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
Temperature places si