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Ge晶体的热力学性质模拟

发布时间:2014-07-01

  锗是一种重要的半导体材料,用于制造晶体管及各种电子装置。被广泛用于聚合反应的催化剂与太阳能电力等。本实验利用VASP5.2及CASTEP软件包,采用GGA-pbe泛函及线性响应理论计算声子散射和能态密度以及预测热力学属性如焓和自由能。

实验内容
  实验采用GGA-pbe的泛函进行模拟,图1为锗单胞的结构示意图。


a. 图2是VASP5.2和Materials Studio软件操作界面,所示的是将Ge晶胞转化为原胞的过程。首先进行单胞的优化。选择geometry optimization选项,优化时勾选上optimize cell,对晶格常数和原子坐标同时进行优化。计算界面如图3所示。


b. 基于优化的Ge原胞,采用线性响应方法计算其声子性质。模拟任务选择单点能量计算。在property选项里选择phonons,同时选择density of states和dispersion。运行结束后,有计算文件夹里找到phonodisp.castep和phonondos.castep文件,分别打开,绘制声子态密度和能带图。结果如图4所示。计算结果与实验结果相似。

c. 利用声子计算结果,在准谐性近似下,进一步计算晶体的焓、熵、自由能、晶格热容与温度的关系。如图5所示,计算结果与实验数据一致。高温极限的Debye温度是395 K,模拟Debye温度是392 K,与实验值相符。

功能及效果
  本实验通过VASP与CASTEP程序计算获得锗晶体的基本热力学函数曲线。实际实验中可从单晶的中子散射中获得声子色散曲线。所以本实验的理论计算对验证方法的有效性和实验结果的正确性是非常有用的,解决了通过实验测量方式不容易实现的问题。通过模拟实验,可使学生更好的理解动力学矩阵和声子的概念。