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摘 要：常压下磷化镁（Mg3P2）是典型的直接带隙半导体，在信息技术领域中有潜在的应用前景。本文采用第一性原理计算方法研究Mg3P2晶体结构和电子性质随压力的变化规律，进而揭示其结构相变的微观机制。Mg3P2在常压下具有立方Ia-3结构。形成焓的计算结果表明，Mg3P2在2.5 GPa时相变到三角P-3m1结构，35 GPa时相变到751角P63/mmc结构，65 GPa时相变到单斜C2/c结构。电子性质的计算结果表明，Mg3P2在Ia-3→C2/c的相变过程中发生了金属化。电荷转移分析表明压力导致Mg_s、 P_s、 P_p电子到Mg_p电子的转移可能是Mg3P2结构相变的物理原因。35055
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毕业论文关键词：磷化镁 高压相变 晶体结构 电子性质
The Phase Transformation and Properties of Mg3P2 at High Pressure
Abstract: Mg3P2 is a typical direct band gap semiconductor at ambient pressure, which has potential applications in the field of information technology. To uncover the physical mechanism of the phase transitions under compression, we have studied the crystal structures and electronic properties of Mg3P2 at high pressures by using the first-principle calculations. Mg3P2 has a cubic Ia-3 structure at ambient condition. Total energy calculations suggested that the cubic Mg3P2 transforms to a trigonal P-3m1 structure at 2.5 GPa and the hexagonal P63/mmc structure at 35 GPa, and then to the monoclinic C2/c structure at 65 GPa. Electronic property calculations indicate the metallization of Mg3P2 occurring at the Ia-3→C2/c transition. Analysis of charge transfer indicates that the pressure-induced charge transfer from Mg_s, P_s and P_p to Mg_p is the driven force of the phase transitions in Mg3P2.
Keywords: Mg3P2 High pressure phase transition Crystal structure Electronic properties
目 录
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 研究背景 1
1.3 本论文的主要内容及目的 2
2 第一性原理计算的理论基础 2
2.1 能带理论 2
2.1.1 能带理论的定义以及意义 2
2.1.2 能带结构 3
2.1.3 三个近似 3
2.1.4 Bloch定理 3
2.2 密度泛函理论 6
2.2.1 密度泛函理论的起源——Thomas-Fermi模型 6
2.2.2 密度泛函理论的坚实理论基础——Hohenberg-Kohn定理 6
2.2.3 密度泛函理论应用的实现——Kohn-Sham方法 7
3 第一性原理的计算及相关软件 7
3.1 第一性原理计算的简介 7
3.2 第一性原理计算的应用 8
3.3 第一性原理计算的处理方法 8
3.4 第一性原理计算常用的计算软件 9
4 Mg3P2的高压相变与物性研究 10
4.1 计算细节 10
4.2 Mg3P2的高压相变序列 10
4.3 Mg3P2的晶格常数 13
4.4 Mg3P2的电子性质 14
4.5 磷化镁的相变机制 18
5 总结 19
致 谢 20
参考文献 21
1 绪论
1.1 引言
半导体材料是现代信息社会的一种功能材料，其独特的性质和在工业制造、航空航天、通讯信息等领域中潜在的应用，引起了众多科研人员的关注。晶格结构是深入研究物质物理性能的首要条件，其原子排布、间距及数量等差异，表现出不同的物理性质。由于高压作用，会使物质表现出丰富的物理行为，所以研究物质的高压特性已成为凝聚态物理研究的一个热点。当外界施加一定的高压或高温等实验条件时，物质会发生许多复杂的晶格结构相变，从而表现出不同于常压结构的物理性质。例如常压下导电性极好的金属钠在200 GPa压力下竟然变成一种光学透明的宽带隙绝缘体[1]。对物体施加压力时，其原子排布、间距及数目会改变，其电子带隙也可能由于间距缩短而变窄，此时半导体或者绝缘体就可能发生金属化，转变成一种新型的材料。在21世纪，材料能源的供不应求，要求我们寻找更多的功能性材料为人类服务。
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