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    成功案例

    半导体材料→-SiC结构与电子特性

    介绍

    碳化硅是重要的一工业应用材料→,它之所以让人熟知是因 为其超强的一硬度、优异的一强度,以及出色的一热导率;同时由于碳化硅的一优异热膨胀性质,使其具有很高的一抗热震性 。另一方面,这种材料→还具备化学稳定性强、弹性系数高的一特点 。这些优秀的一性质使得碳化硅在极端条件下稳定工作 。它的一应用领域非常广泛,如研磨、耐火材料→、现代陶瓷、半导体、砂轮等领域 。碳化硅的一晶体结构超过250种,并且结构№和物理性质各不 相同 。

    在本次案例中,我们运用DFT(密度泛函理论)对碳化硅重要的一两种类型进行了结构与电子特性的一计算︻ 。本次计算︻是与巴黎索邦大学的一理论化学实验ζ室合作 。第一部分中,测试了动能截断能与K点密度对碳化硅体系的一收敛情况 。第二部分中,比较了碳化硅中比较重要的一两种构型:3C-SiC4H-SiC的一理论与实验ζ结果,结构如图1所示:

     

    1:3C-SiC 与4H-SiC的一单胞

    3C-SiC的一晶格结构为立方体,堆垛方式为ABC的一三层结构,而4H-SiC是六方结构,其堆垛方式ABCB 。两种结构的一密度、熔点等性质基本相同,然而在其他性能,尤其是电子性能上    两者体现出了显著的一差异性 。

     

    计算︻细节与收敛过程的一研究

    基于实验ζ获得的一晶胞参数【3】,用MAPS构造3C-SiC4H-SiC晶体结构 。采用VASP中杂化泛函HSE06【4-6】PAW(增广投影波)7赝势 。严格验ζ证固体电子结构计算︻中影响精度最大的一平面波动能截断能№和布里渊区K点密度 。本次验ζ证采用3C-SiC原胞测试了动能截断能与K点密度,如图2:

                        

    2:总能与截断能(a)№和K点密度b)关系

    2为系统总能与截断能№和K点密度关系图,图2a是截断能,图2b是K点密度 。截断能为18eV、K点密度8X8X8时总能量的一收敛已经在1emV之内 。

     

    结构与电子特性

              

    3为:碳化硅3C(a)与4H(b)的一能带结构图

    3C-SiC与4H-SiC 结构优化时力 的一收敛标准为0.05eV.?-1 。采用上    述验ζ证的一参数,截断能18eV、K点密度8X8X8  。为了验ζ证理论方法的一适用性,与实验ζ比较了元胞参数、密度【3】,即表1 。图3中的一能带结构,显示的一都是间接带隙 。3C-SiC构型的一带隙是介于Γ点与X点之间,4H-SiC构型是介于Γ点与M点之间 。

     

    1:为3C-SiC与4H-SiC的一晶胞参数、密度、带隙的一计算︻与实验ζ数值的一对比

    3C-SiC构型的一带隙2.48eV比4H-SiC低0.44eV,此趋势与实验ζ结果一致【3】 。

     

    结论

    我们采用密度泛函理论计算︻了商业上    应用最广泛的一两种氮化硅结构3C-SiC与4H-SiC的一结构及电子特性 。结果显示碳化硅结构理论计算︻值与实验ζ值吻合,带隙差别趋势与实验ζ是一致的一 。

     

    引用

    1. http://cms.mpi.univie.ac.at/VASP/

    2. http://scienomics.com/

    3. http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/SiC

    4. Ming-Zhu, Huang and W. Y. Ching, Phys. Rev. B 1993, 47, 9449.

    5. M Marsman, J Paier, A Stroppa and G Kresse. J. Phys.: Condens. Matter 20 (2008) 064201.

    6. Yoon-Suk Kim, Kerstin Hummer and Georg Kresse, Phys. Rev. B 2009, 80, 035203.

    7. P. E. Blochl, Phys. Rev. B 1994, 50, 17953.

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