建模压力依赖GaAsSb合金的弹性参数gydF4y2Ba

文摘gydF4y2Ba

密度泛函理论与GGA近似弹性GaAs1-xSbx (x) = 0.5从0-20计算GPa压力的范围。的几何结构参数调整GaAs1-xSbx在不同压力下,他们列出。发现,晶格常数减少压力增加。此外,参数B和参数降低S和Y增加了压力增加。弹性常数的惯例机械稳定性条件满足三元混合晶体。弹性模量是获得。调整弹性常数随各种利率面临越来越大的压力。gydF4y2Ba

关键字gydF4y2Ba

合金、弹性参数、压力gydF4y2Ba

介绍gydF4y2Ba

半导体gydF4y2Ba合金一直集中在如此多的由于他们的能力适应增长的光电性质的带隙半导体技术(如合金成分。III-V化合物及其固体的解决方案在半导体器件的工作。GaAs1-xSbx合金吸收材料是光电应用程序由于带隙宽的范围从0.87到1.65μm,与某人不同内容(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba]。然而,所有波长不能获得由于成分的混溶隙的存在范围0.39 < x < 0.62。的设备存在的研究-电子亲和能光电阴极,光敏二极管、发光二极管、双异质结构gydF4y2Ba激光gydF4y2Ba,室温连续波激光器(gydF4y2Ba2gydF4y2Ba]。GaAs1-xSbx三元合金,特别是,实际上是有利于高效太阳能电池。As-Ga-Sb系统显示共晶谷从某人丰富的二进制Ga-Sb相图的富裕地区As-Ga相图。由于高的蒸汽压,相图决定一直局限于稀释成分。准二进制部分GaAs-GaSb三元相图是一个地区的扩展固溶体与一个更大的地区不混合性的固相(gydF4y2Ba3gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba5gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

高压III-V二进制的结构稳定性gydF4y2Ba合金gydF4y2Ba已经被巨大的关注研究二十多年来的高压相图GaAsSb合金没有完全显示。这是适度由于定样品处理困难出现在应对这些合金。经验,这些合金采用闪锌矿结构在低和适度的压力。在当前的研究中,我们进行了一项研究GaAs0.5Sb0.5结构和光学特性使用密度泛函理论(gydF4y2Ba6gydF4y2Ba]。另一方面,我们已经进行了力学性能研究的铅硫硒在不同压力下gydF4y2Ba7gydF4y2Ba]。此外,许多其他的理论和实验研究已经完成对结构、弹性和光学性质GaAs1-xSbx合金(gydF4y2Ba8gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

这项研究是很重要的,因为这是首次进行的研究GaAs0.5Sb0.5合金在压力下的弹性性质。本研究进行了阐明未来研究将几乎和测试这些合金在实验室进行,以帮助他们在确定数量的变化在合金添加剂,并确定依据的理论与其他理论和实验研究工作。GaAs0.5Sb0.5的弹性性质不同压力下会有所不同,这直接影响分离的应用GaAs-based设备在其他作品的方法。考虑到不同的应用条件,镓砷锑的弹性性质0-20 x = 0.5的平均绩点是使用密度泛函理论研究在当前的工作。gydF4y2Ba

建模方法gydF4y2Ba

的弹性性质GaAs1−xSbx三元合金使用CASTEP调查项目(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。这是建立在密度泛函理论使用的平面波基组扩展的波函数gydF4y2Ba11gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba13gydF4y2Ba]。广义梯度近似(GGA)是由电子exchange-correlation势能。库仑势的能量引起的电子离子交互使用伪势概念描述(gydF4y2Ba14gydF4y2Ba]。Monkhorse-pack网是用来确定56 k-points体积计算。利用平面波截止360年能源电动汽车。结果显示,都聚集在这个截止。Ga (3 dgydF4y2Ba^10gydF4y2Ba4 sgydF4y2Ba^2gydF4y2BapgydF4y2Ba^1gydF4y2Ba),如(3 dgydF4y2Ba^10gydF4y2Ba4 sgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba4 pgydF4y2Ba^3gydF4y2Ba(4)和某人dgydF4y2Ba^10gydF4y2Ba5 sgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba5便士gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba)被视为价状态。砷化镓的几何优化执行gydF4y2Ba_{1−xgydF4y2Ba}某人gydF4y2Ba_xgydF4y2Ba与对称P1 (x) = 0.5。原子的位置和密度混合优化方案(gydF4y2Ba15gydF4y2Ba[]使用共轭梯度(CG)方法gydF4y2Ba16gydF4y2Ba对特征值最小化)。以下阈值融合结构操作:每原子能量变化< 2 x 10gydF4y2Ba^6gydF4y2Ba电动车,残余力0.5 eV / nm,压力低于0.05的绩点,和原子的dis-placement几何优化0.001海里。机械性能的元素是由外部力量在国家和压力。另外如果身体处于平衡状态,外部压力必须由内力完全平衡(gydF4y2Ba17gydF4y2Ba,gydF4y2Ba18gydF4y2Ba]。在一个原子论的计算,内部应力张量可以通过使用所谓的刚健的表达式gydF4y2Ba

(1)gydF4y2Ba

我在哪里指数运行在所有粒子1到N, kgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba,vgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba和fgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba表示质量,速度和力量作用于粒子,和VgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba表示(未变形的)系统体积。gydF4y2Ba

平行六面体(例如,一个周期gydF4y2Ba模拟gydF4y2Ba细胞)视为在参考一些州的三列gydF4y2Ba向量gydF4y2Baa0, c0,向量a, b, c的变形状态,显示应变张量:gydF4y2Ba

(2)gydF4y2Ba

在h0表示矩阵形成的三个列向量gydF4y2Ba_0gydF4y2BabgydF4y2Ba_0gydF4y2BacgydF4y2Ba_0gydF4y2Bah表示相应的矩阵形成的,b, c, T表示矩阵的转置,和G表示度规张量hTh弹性刚度系数,相关的应力和应变的各种组件定义为:gydF4y2Ba

(3)gydF4y2Ba

亥姆霍兹自由能表示。对于小变形,应力和应变之间的关系表现的gen - eralized胡克定律:gydF4y2Ba

(4)gydF4y2Ba

(5)gydF4y2Ba

在年代gydF4y2Ba_{lmnkgydF4y2Ba}表示合规组件。请注意,在这两个方程(4)和(5),求和约定是隐含的。例如,年代gydF4y2Ba_21gydF4y2Ba给出了完整的:gydF4y2Ba

因此,广义胡克定律通常写成:gydF4y2Ba

(6)gydF4y2Ba

尽量注意6 x 6刚度矩阵C也是对称的,和以后最多21系数必须完全解释任意材料的应力-应变行为。gydF4y2Ba

此外,请注意,不再是一个gydF4y2Ba张量gydF4y2Ba,因为它并不遵守所需的转换规则。为各向同性材料的应力-应变行为只能完全由识别两个独立的系数。gydF4y2Ba

(7)gydF4y2Ba

(8)gydF4y2Ba

λ和χ视为瘸子系数。gydF4y2Ba

对于各向同性的情况,用于杨氏模量表达式Y, B体积弹性模量,剪切模量年代如下所示(gydF4y2Ba19gydF4y2Ba,gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

有限的弹性参数是有预谋的应变方法,基态结构紧张符合symmetry-dependent应变模式改变后的应力张量分析能力和内部结构的优化后的参数。此外,B体积弹性模量、剪切模量、杨氏模量弹性参数的计算。gydF4y2Ba

结果和讨论gydF4y2Ba

弹性性质探讨了实现砷化镓的反应gydF4y2Ba_0.5gydF4y2Ba某人gydF4y2Ba_0.5gydF4y2Ba环境和高压力下。通过优化结构属性组成结构的稳定性,晶格常数gydF4y2Ba_0gydF4y2Ba带隙能量(例如)和最小体积(VgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba)和基态能量(EgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba)被发现,而在当前的研究中获得数据。弹性属性包括韧性或gydF4y2Ba脆gydF4y2Ba合金的性质,弹性常数(cgydF4y2Ba_ijgydF4y2Ba)、体积弹性模量(B),杨氏模量(Y)和剪切模量已经讲了。上述提到的属性被发现使用密度泛函理论。gydF4y2Ba

合金的晶格常数平衡计算在第一阶段通过减少晶体的晶格参数和总能量的比值的晶体体积。几何结构参数进行了优化GaAs0.5Sb0.5合金在不同压力下的显示gydF4y2Ba表1gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

表1。gydF4y2Ba砷化镓的结构特性gydF4y2Ba_0.5gydF4y2Ba某人gydF4y2Ba_0.5gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

可以看出,晶格常数gydF4y2Ba_0gydF4y2Ba已经减少,能量带隙EgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba增加了压力增加。另一方面,基态能量EgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba减少了压力增加。进一步的知识,许多材料定期gydF4y2Ba金属gydF4y2Ba随着压力增加。此外,当原子走近,晶格参数减少,因此,所有模量放大。在砷化镓gydF4y2Ba_0.5gydF4y2Ba某人gydF4y2Ba_0.5gydF4y2Ba合金、晶格参数也减少。原子相互接近,因此模量增大,和这些材料成为金属压力增加。gydF4y2Ba

我们优化的最小体积(VgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba)和基态能量(EgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba)的单位细胞通过体积显示在gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba,即压力= 20 GPa本文以节省空间。体积的优化过程,基态能量和最小体积显示合金的稳定性与各种压力。我们从优化结果GaAsSb保持稳定的立方相即使在如此极端的压力条件。这将显示合金保持压力的能力不相转变。gydF4y2Ba

见gydF4y2Ba图2gydF4y2Ba,砷化镓的弹性模量gydF4y2Ba_0.5gydF4y2Ba某人gydF4y2Ba_0.5gydF4y2Ba合金在不同压力下所示。特别是,他们提供信息的稳定性和刚性材料,和他们从头开始计算需要明确的方法。因为力量和弹性常数函数的一阶和二阶导数的潜力,他们的计算将进一步检查的精确计算固体的力量。二阶弹性常数(CgydF4y2Ba_ijgydF4y2Ba使用“volume-conserving”方法(计算)gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba和结果解释gydF4y2Ba表2gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

表2。gydF4y2Ba砷化镓的弹性特性计算gydF4y2Ba_0.5gydF4y2Ba某人gydF4y2Ba_0.5gydF4y2Ba在不同的压力。gydF4y2Ba

对于正方结构稳定,六个独立的弹性常数CgydF4y2Ba_ijgydF4y2Ba(CgydF4y2Ba_11gydF4y2BaCgydF4y2Ba_12gydF4y2BaCgydF4y2Ba_13gydF4y2BaCgydF4y2Ba_33gydF4y2BaCgydF4y2Ba_44gydF4y2Ba和CgydF4y2Ba_{66年gydF4y2Ba})应当满足的Born-Huang标准稳定性(gydF4y2Ba21gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba23gydF4y2Ba),gydF4y2Ba

CgydF4y2Ba_11gydF4y2Ba> 0,CgydF4y2Ba_33gydF4y2Ba> 0,CgydF4y2Ba_44gydF4y2Ba> 0,CgydF4y2Ba_{66年gydF4y2Ba}> 0,(CgydF4y2Ba_11gydF4y2Ba- cgydF4y2Ba_12gydF4y2Ba)> 0,(CgydF4y2Ba_11gydF4y2Ba+ CgydF4y2Ba_33gydF4y2Ba2摄氏度gydF4y2Ba_13gydF4y2Ba)> 0,gydF4y2Ba

{2 (CgydF4y2Ba_11gydF4y2Ba+ CgydF4y2Ba_12gydF4y2Ba)+ CgydF4y2Ba_33gydF4y2Bac + 4gydF4y2Ba_13gydF4y2Ba}> 0。gydF4y2Ba

立方晶体接受三个弹性常数C的依赖gydF4y2Ba_ijgydF4y2Ba(CgydF4y2Ba_11gydF4y2BaCgydF4y2Ba_12gydF4y2BaCgydF4y2Ba_14gydF4y2Ba(C),解释不平等gydF4y2Ba_11gydF4y2Ba- CgydF4y2Ba_12gydF4y2Ba)> 0,CgydF4y2Ba_11gydF4y2Ba> 0,CgydF4y2Ba_44gydF4y2Ba> 0,(CgydF4y2Ba_11gydF4y2Bac + 2gydF4y2Ba_12gydF4y2Ba)> 0。我们的结果的弹性常数gydF4y2Ba表2gydF4y2Ba遵守这些砷化镓的稳定条件gydF4y2Ba_0.5gydF4y2Ba某人gydF4y2Ba_0.5gydF4y2Ba合金。gydF4y2Ba

表3。gydF4y2Ba弹性常数之间的比较和差异研究(PS)和其他研究(OS)。gydF4y2Ba

弹性常数CgydF4y2Ba_ijgydF4y2Ba对于一些非常著名的砷化镓的机械性能gydF4y2Ba_0.5gydF4y2Ba某人gydF4y2Ba_0.5gydF4y2Ba特别是在一些特定的应用程序包括内部应变和热弹性应力条件。C的计算结果gydF4y2Ba_ijgydF4y2Ba的砷化镓gydF4y2Ba_0.5gydF4y2Ba某人gydF4y2Ba_0.5gydF4y2Ba作为压力的函数,从0到20 GPa显示在gydF4y2Ba表2gydF4y2Ba。对于这些合金,没有经验和理论数据存在。可以看到,我们发现CgydF4y2Ba_11gydF4y2BaCgydF4y2Ba_12gydF4y2Ba和CgydF4y2Ba_44gydF4y2Ba随着压力增加而增加。另一方面,CgydF4y2Ba_13gydF4y2BaCgydF4y2Ba_33gydF4y2Ba和CgydF4y2Ba_{66年gydF4y2Ba}减少不同利率的压力增加。实现弹性参数,即CgydF4y2Ba_11gydF4y2BaCgydF4y2Ba_12gydF4y2BaCgydF4y2Ba_13gydF4y2BaCgydF4y2Ba_33gydF4y2BaCgydF4y2Ba_44gydF4y2BaCgydF4y2Ba_{66年gydF4y2Ba}对材料在不同压力下,研究了在不同成分x = 0.5显示在gydF4y2Ba表2gydF4y2Ba。理论数据比较GPa压力等于0,因为没有实验和理论数据存在不同压力下。此外,有一个协议的结果gydF4y2Ba_11gydF4y2Ba和CgydF4y2Ba_12gydF4y2Ba。从理论上讲,获得的结果(结果高出3%gydF4y2Ba24gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

图2gydF4y2Ba显示了砷化镓的弹性模量gydF4y2Ba_0.5gydF4y2Ba某人gydF4y2Ba_0.5gydF4y2Ba合金在不同压力下,S是剪切模量,和Y是杨氏模量。Y参数随压力增加而减小gydF4y2Ba(图3)gydF4y2Ba。同时,年代的增加,随着压力的增加gydF4y2Ba(图4)gydF4y2Ba。在当前情况下,砷化镓的体积弹性模量BgydF4y2Ba_0.5gydF4y2Ba某人gydF4y2Ba_0.5gydF4y2Ba合金研究在不同压力下(P = 0, 10和20 GPa)。压缩系数按照独立的价值减少压力中可以看到gydF4y2Ba图5gydF4y2Ba。固体的弹性常数提供机械和动力之间的关系gydF4y2Ba行为gydF4y2Ba晶体,并提供重要信息的本质力量在固体操作。gydF4y2Ba

当前支持的结果关于体积弹性模量的理论和实验数据gydF4y2Ba22gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba25gydF4y2Ba]。他们都在gydF4y2Ba表3gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

砷化镓的弹性参数gydF4y2Ba_0.5gydF4y2Ba某人gydF4y2Ba_0.5gydF4y2Ba合金已经深刻地评估。我们所知,只有少数报告最新的合金在不同压力下。对比我们的数值计算结果与弹性参数和那些来自其他作品中列出gydF4y2Ba表3gydF4y2Ba。在这个表的值的弹性常数考虑gydF4y2Ba方差gydF4y2Ba之间的数据计算在当前工作和评估的其他作品是C的不到5%gydF4y2Ba_11gydF4y2BaC和9%gydF4y2Ba_44gydF4y2Ba,而体积弹性模量和剪切模量的方差大于4%。的,一个可能的结果参数来源于其他作品不是通常的不同计算的不显示大约从线性偏差的研究材料属性符合某人组成x = 0.5。gydF4y2Ba

结论gydF4y2Ba

在当前的工作,镓砷锑的弹性性质(x) = 0.5使用密度泛函理论研究了。结果是通过采用技术基于GGA使用平面波伪势。砷化镓的几何优化的结构参数gydF4y2Ba_0.5gydF4y2Ba某人gydF4y2Ba_0.5gydF4y2Ba在不同的压力表示。弹性参数满足传统的机械稳定性条件对这些三元混合晶体。晶格参数减少随着压力增加。除此之外,参数和Y随着压力的增加而增加但参数B随添加压力。C的计算结果gydF4y2Ba_ijgydF4y2Ba的砷化镓gydF4y2Ba_0.5gydF4y2Ba某人gydF4y2Ba_0.5gydF4y2Ba从0到20 GPa压力的函数表示。CgydF4y2Ba_11gydF4y2BaCgydF4y2Ba_12gydF4y2Ba和CgydF4y2Ba_44gydF4y2Ba在压力下参数增加单独的利率上升。另一方面,CgydF4y2Ba_13gydF4y2BaCgydF4y2Ba_44gydF4y2Ba和CgydF4y2Ba_{66年gydF4y2Ba}参数减少压力增加。gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

作者要感谢博士Srwa赛义德先生的Murad Sh。奥斯曼一些有用的建议和讨论。gydF4y2Ba

引用gydF4y2Ba

1. 朔尔茨射频和Gosele磷和砷锑砷化镓作为自扩散示踪剂在子格。J: 2000; 87:704 - 710。gydF4y2Ba
2. Cherng MJ, et al。OMVPE亚稳合金GaAs0 III / V的增长。5 sb0。5。J电子板牙1986;15:79 - 85。gydF4y2Ba
3. Vurgaftman, et al。带参数III-V化合物半导体及其合金。J: 2001; 89:5815 - 5875。gydF4y2Ba
4. Klenovsky, et al。在量子点的电子结构与GaAsSb应变减少层:定位孔及其对光学性质的影响。:列托人2010;97:203107。gydF4y2Ba
5. Ashrafi MJ,等。三维本构模型与压力有关的多孔形状记忆合金的相变。Mech J Behav生物医学板牙2015;42:292 - 310。gydF4y2Ba
6. 奥斯曼,et al。结构和光学性质的GaAs0.5Sb0.5 In0.5Ga0.5As0.5Sb0.5:从头开始计算纯和掺杂材料。中国物理列托人2012;29:037302。gydF4y2Ba
7. 奥斯曼女士模拟铅硫硒在压力下的力学性能。J Mod phy 2015; 4:185。gydF4y2Ba
8. 戈尔曼BP, et al。原子ordering-induced带隙减少GaAsSb外延层增加了分子束外延。J: 2005; 97:063701。gydF4y2Ba
9. 泰西耶R, et al。随温度而变的价带偏移量和带隙能量的假象GaAsSb砷化镓。J: 2001; 89:5473 - 5477。gydF4y2Ba
10. 奥斯曼,et al。从头开始调查结构,电子和光学性质InxGa1−xa, GaAs1−yPy三元和InxGa1−xAs1−yP y第四纪半导体合金。J合金化合物2010;496:226 - 233。gydF4y2Ba
11. 霍恩P和科恩w .非均匀电子气。物理评论》1964;136:B864。gydF4y2Ba
12. 奥斯曼,et al。结构、电子和光学性质InxGa1−xP合金。自然史B: Condsd垫2010;405:2357 - 2361。gydF4y2Ba
13. Holzwarth,等。一个投影仪增强波(爪子)代码电子结构计算,第一部分:atompaw生成atom-centered功能。Comp phy Commun 135:329 2001; 347年。gydF4y2Ba
14. 奥斯曼,et al。从头开始调查InAs1-xPx合金的电子和光学性质。Gazi大学J Sci 2010; 23:149 - 153。gydF4y2Ba
15. JD Monkhorst HJ和包。特殊点的布里渊区集成。物理评论B 1976; 13:5188。gydF4y2Ba
16. Oloumi M和Matthai CC。电子结构和乐队在/砷化镓系统的不连续性。J phy:浓缩马特1990;2:5153。gydF4y2Ba
17. •西格尔画,等。采用基于仿真:思想、插图和CASTEP代码。J phy:浓缩马特2002;14:2717。gydF4y2Ba
18. 荡漾,et al。Kohn-Sham密度泛函理论在一个有限的基础。化学物理让1992;199:557 - 560。gydF4y2Ba
19. 魏L, et al .电子和PbS的压力下的弹性属性。自然史B: Condnsd马特405:1279 2010;1282年。gydF4y2Ba
20. Liou BT, et al。采用基于计算弯曲参数纤锌矿InxGa1−xN。选择Commun 249:217 2005; 223年。gydF4y2Ba
21. Agrawal BK, Agrawal s .从头开始计算的电子结构和动态属性唉和集团。物理评论B1992; 45:8321。gydF4y2Ba
22. Bouarissa n的弹性常数和声学声子特性GaAsx Sb1−x。垫化学物理2006;100:41-47。gydF4y2Ba
23. Dheeraj DL。纤锌矿型砷化镓纳米线的生长和表征和没有缺陷闪锌矿GaAsSb插入。纳米列托人8:4459 2008;4463年。gydF4y2Ba
24. 王平方你们总部。第一优先原则研究弹性性质和阶段III-V化合物的稳定。物理状态,相当于当时B 2003; 240:45-54。gydF4y2Ba
25. 摩根Detz H和g .建模三元III-V合金的弹性InGaAs, InAlAs潜力并使用Tersoff GaAsSb二元化合物。Semicond Sci抛光工艺2013;28:085011。gydF4y2Ba