BN的能帶結(jié)構(gòu)和計算可靠性分析.ppt

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BN的能帶結(jié)構(gòu)和計算可靠性分析,材料物理 周俊杰 20111338021,背景,氮化硼是由氮原子和硼原子所構(gòu)成的晶體。具有四種不同的變體：六方氮化硼（HBN)、菱方氮化硼（RBN）、立方氮化硼(CBN)和纖鋅礦氮化硼(WBN)。本次研究的對象是立方氮化硼(CBN)。 氮化硼耐腐蝕，電絕緣性很好，比電阻大于10-6 Ω.cm；壓縮強度為170MPa；在c軸方向上的熱膨脹系數(shù)為4110-6/℃ 而在d軸方向上為－2.310-6 ；在氧化氣氛下最高使用溫度為900℃，而在非活性還原氣氛下可達2800℃，但在常溫下潤滑性能較差。 氮化硼可以用在航天航空中的熱屏蔽材料,金屬成型的脫模劑和金屬拉絲的潤滑劑等方面。,建模,面心立方結(jié)構(gòu) 晶格常數(shù):3.615 空間群:216 FM-43M 根據(jù)以上條件進行建模 價電子排布 B ：2s2 2p1 N ：2s2 2p3,結(jié)果可靠性測試,為了分析該軟件在材料設(shè)計方面的可靠性，對BN結(jié)構(gòu)進行測試。分別考慮平面波截斷能、k點設(shè)置等對計算結(jié)果的影響，在自洽精度為Fine的情況下，并采用LDA（局域密度近似）和GGA（廣義梯度近似）以及超軟贗勢和規(guī)范-守恒贗勢的方法對結(jié)果的影響進行分析。為了確保計算的速度、精度和計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，須對截斷能Ecut和k點取樣進行收斂測試,從而計算出合適的截斷能和k點取樣。 通過對可靠性的性能分析，發(fā)現(xiàn)在超軟贗勢下，截斷能為220eV,k點取值為4，采用GGA（廣義梯度近似）計算時，既能達到好的收斂精度，獲得可靠的原胞晶體結(jié)構(gòu)，又能盡量減少計算花費的時間。,計算設(shè)置：在超軟贗勢下，截斷能為220eV，自洽精度為Fine，k-point set 444.,LDA得到的總能量最低，GGA(RPBE)得到的禁帶寬度最接近理論值。,超軟贗勢下截面能與總能量的關(guān)系,超軟贗勢下截面能與計算時間的關(guān)系,分析可知，在超軟贗勢下，隨著截面能的升高，BN的總能量會逐漸降低但會需要大量的時間。在截面能相同的情況下，LDA比GGA具有更低的總能量。同時計算時間也更短。,Cut-Energy 超軟贋勢下截斷能選取與總能量和計算時間的關(guān)系,規(guī)范-守恒贗勢下截面能與總能量的關(guān)系,規(guī)范-守恒贗勢下截面能與計算時間的關(guān)系,分析可知，在規(guī)范-守恒贗勢下，隨著截面能的升高，BN的總能量先降低后趨于平穩(wěn)，在截面能相同的情況下，LDA比GGA具有更低的總能量，兩者之間的能量差的絕對值相差較大。同時計算時間也更短。,,規(guī)范-守恒贗勢下截斷能選取與總能量和計算時間的關(guān)系,超軟贗勢下k點的設(shè)置與總能量的關(guān)系,超軟贗勢下k點的設(shè)置與計算時間的關(guān)系,在超軟贗勢下，無論LDA還是GGA,只有當(dāng)k點的取值為1時，能量最高，而在其他取值時，總能量逐漸在下降，可知k點的取值越高，精度也就越高，但計算時間也就越長。,規(guī)范-守恒贗勢下k點選取與總能量和計算時間的關(guān)系,K-point,規(guī)范-守恒贗勢下k點的設(shè)置與總能量的關(guān)系,規(guī)范-守恒贗勢下k點的設(shè)置與計算時間的關(guān)系,在規(guī)范-守恒贗勢，無論LDA還是GGA,只有當(dāng)k點的取值為1時，能量最高，而在其他取值時，總能量逐漸在下降，可知k點的取值越高，精度也就越高，但計算時間也就越長。 綜合比較在規(guī)范-守恒贗勢和超軟贗勢下的計算時間，發(fā)現(xiàn)超軟贗勢要比規(guī)范-守恒贗勢的計算時間要低很多。,規(guī)范-守恒贗勢下k點選取與總能量和計算時間的關(guān)系,計算,交換相關(guān)函數(shù)(Functional):GGA(RPBE) 截斷能(Energy cutoff)：220eV 自洽計算收斂精度(SCF tolerance)：Fine k-point set: 444,,,,BN能帶圖,BN具有較寬的禁帶寬度，為4.345eV。 其價帶在k空間的G點，其導(dǎo)帶的最低點在X點。為間接帶隙半導(dǎo)體。 能帶結(jié)構(gòu)劃分為兩個部分, 費米能級用虛線劃分為三個區(qū)域 -23eV~ -13.8eV和-11.2eV~0eV, 導(dǎo)帶位于 4.3eV ~54.6eV.,計算結(jié)果及其分析,BN態(tài)密度,B,N,BN的下價帶區(qū)主要是由N 2s2和B 2s2p1態(tài)組成。而上價帶區(qū)主要是由N 2p3和B 2s2p1態(tài)構(gòu)成,還有少量的N 2s2。導(dǎo)帶主要是由N 2p3和B 2s2p1態(tài)構(gòu)成的,還有少量N 2s2。從分波態(tài)密度圖中可以看出BN的共價鍵性質(zhì)比較明顯。 B： 2s2 2p1 N ： 2s2 2p3,布里淵區(qū),,布居分析,原子布居數(shù),由上圖可以看出，氮化硼是共價化合物，氮帶負(fù)電荷為-0.62，硼帶正電荷為 +0.62，在贗勢計算中氮和硼的價電子結(jié)構(gòu)分別為（氮s1.51 p4.11，硼 s0.65 p1.73）氮和硼之間形成的強烈的共價鍵。,重疊布居數(shù) 一般來說，正值表示成共價鍵，正值越大，共價性越強；0表示純離子鍵；負(fù)值表示反鍵。,分析可知BN的重疊布居數(shù)是2.60。說明氮化硼晶體中的結(jié)合鍵則是硼、氮異類原子間的共價結(jié)合鍵。,