【Materials Studio应用实例】压力对光电子激光器结构、机械、电学和光学性能影响的研究

III-V族化合物半导体具有低介电、高导热、低密度、体积模量大、硬度好、耐腐蚀等独特的物理性能。

本文利用密度泛函理论(DFT)研究了立方原子的结构参数、压力下的机械稳定性、电子能带结构分析以及压力下的光学性质。

基于剑桥系列能量包(CASTEP)计算机程序实现密度泛函理论(DFT)，分析了AlAs的结构、弹性、电子、光学和振动特性。

砷化铝(AlAs)的晶体结构稳定存在于空间群F-43m，FCC立方结构(No.216)。与2D和3D相关联的AlAs化合物的优化结构分别如图1(a)和(b)所示。

在图2(a)中可以观察到，随着施加静水压力，AlAs原子间的原子间距离减小。图2(b)显示了归一化晶格参数和体积随AlAs压力的变化。

此外，如图3(a)所示，单元胞体积随着压力的增加而系统地减小。由于施加压力，原子之间的相互作用增加，原子间距离减少，因此化合物的键长缩短(图3(b)）。

从表2和图4(a)、(b)可以看出，弹性参数C11和C12随着压力的增加呈线性增加。相比之下，C44在8GPa以上略有下降。这两个参数符合力学稳定性准则。然而，C44在8GPa压力以上略有下降，表明该化合物对剪切变形的抵抗能力减弱(图4(b)插入）。

根据作者的计算预测，AlAs化合物在零压力下具有脆性，在2GPa及以上压力下具有延展性，这与B/G比相似。图5(b)所示的Pettifor条件也证实了材料的韧性-脆性。

AlAs的体积模量随着压力的增加呈线性增加，如图6(a)。在20GPa压力下，AlAs的A观测值如图6(A)所示。A的值表明，随着压力的增加，材料趋于统一。

维氏硬度是合金在压力下的重要力学性能之一,任何材料的塑性变形有多大都可以用维氏硬度来估计。硬度最低值表示软质材料，最高值表示硬质材料。B、G和Y的值可以用来估计化合物的维氏硬度。根据Teter，硬度值可由下式计算。

其中G、B和E分别为剪切模量、体模量和杨氏模量。全计算值如表4和图7(a)、(b)所示。

图8(a)和(b)显示了AlAs的能带结构，费米能级设为0eV。从图8(a)可以看出，在零压力下，带隙为1.620eV，这代表了AlAs化合物的非金属行为。能带结构(图8)也显示了在布里渊区同一中心点G处约2.5eV能量的直接跃迁(GG)。在0GPa和12GPa条件下，带隙分别为1.620eV和1.398eV。

图9(a、b)和(10)分别为0GPa和12GPa压力下的PDOS和TDOS。虚线表示费米能级(EF)。从图中可以看出，As-4s态对形成价带贡献最大，Al-3p态对形成导带贡献最大。随着施加压力的增加，PDOS和DOS的显著峰的数量明显增加。

从图10费米能级来看，TDOS值随着压力的增加而减小。这就是为什么能带间距随着压力的增加而减小的原因。

图11(a)(d)和图12(a)至(d)分别绘制了在光子能量高达40eV的压力下AlAs偏振方向的光学特性。AlAs的光学吸收系数如图11(a)所示。吸收系数提供了太阳能转换效率的信息，该信息代表了特定光能穿透材料直至吸收的情况。图11(a)显示了低能时的零吸收。图11(b)显示了AlAs的光电导率。由于带隙的存在，光电导率从1.8eV左右的光子能量开始。图11(c)显示了AlAs的光学反射率光谱R(ω)作为光子能量特征。损失函数如图11(d)所示。能量损失函数表示在材料中快速通过的电子。

图12(a)和(b)显示了AlAs介电函数的实部和虚部。折射率如图12(c)和(d)所示。当光线(能量)穿过任何材料时，紫外线区域的高折射率提供了最大的打击。

本文基于密度泛函理论(DFT)研究了AlAs化合物在环境和压力下的不同性能，观测到的平衡晶格参数与已有的理论和实验结果一致，计算结果与实验结果的偏差仅为0.41%。在环境压力为12GPa时，晶格参数和体积随环境压力的变化分别为3.90%和11.25%，计算出的弹性参数保证了AlAs在研究压力下的力学稳定性，随着压力的变化，C11和C12增加，但C44在研究压力前略有变化。在环境压力高达12GPa时观察到相变，计算结果与实验结果吻合较好。泊松比在0.25~0.37之间，表明力在物质中处于中心位置。B/G值表明材料在2GPa压力下由脆性向延性转变，齐纳各向异性因子A表明AlAs是弹性各向异性材料，该材料在环境压力下的硬度值为7.1GPa。然而，在研究压力下观察到异常行为，在平衡状态下存在带隙，保证了材料的非金属性能。当压力增大时，带隙减小。环境压力下的带隙为1.62eV。从PDOS中，作者观察到Al-3p态在费米能级上的贡献最大。通过Mulliken原子居数计算，其电子结构表现为共价性质。其介电函数、光电导率和吸收系数等光学性质表明其非金属性质。

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