高压下mgnio结构与电子特性的第一性原理计算(附件)【字数：5894】
摘 要摘 要MgNiO是目前一种可以应用于紫外探测器的新材料。国内外对MgNiO结构研究尚少，高压下的结构与电子特性没有具体的研究其演化过程。本课题主要研究MgO和NiO高压下的晶体结构和特性，并在此基础上探究MgNiO的结构和电子特性。在前人对面心立方晶体的MgO和NiO的加压研究基础上，理解并掌握两种晶体物理特性和晶体结构变化。通过计算机的模拟方法计算来验证基本理论，并且进一步MgNiO的结构和电子特性。研究过程中主要依据Shrodinger方程的密度泛函理论近似求解和第一性原理方法探究晶体。分析得到数据压强对MgO，NiO和MgNiO的晶体结构和电子特性的变化结果。通过计算机模拟分析，可以得到MgNiO相应结构与电子特性和高压下演化过程。高压下的MgNiO材料在未来是否具有发展潜力，还有待进一步的研究。关键字计算机模拟 Shrodinger方程 第一性原理 高压 MgNiO的结构
目 录
第一章 绪论 01
1.1 MgNiO材料及其属性01
1.2 MgO和NiO材料的高压研究状况01
第二章 计算机模拟方法07
2.1 Shrodinger方程的密度泛函理论近似求解07
2.2 第一性原理方法在NiO合金相关属性研究中的应用08
第三章 高压下MgNiO结构与带隙的第一性原理计算10
3.1 建立模型10
3.2 程序运行代码10
3.3 数据处理12
3.4 结果与讨论 18
第四章 总结与展望19
致谢 20
参考文献21
绪论
1.1 MgNiO材料及其属性
MgO和NiO具有相同晶体结构和接近的晶格常数，因此MgNiO合金不存在结构分相问题。MgNiO作为宽带隙半导体材料，由于直接带隙且在可见区具有陡峭截止,是制备高精度、高效率紫外探测器件的备选材料。当前MgNiO的研究主要是其结构、光学特性、紫外探测性能的研究。目前，有关MgNiO实验制备的参数有溅射功率、衬底温度、衬底材料、退火温度。
溅射功率对MgNiO性能的影响。随溅射功率的增加,衍射峰强度 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
逐渐增强，结晶质量和结晶性能变好，但其表面则不平整。并发现MgNiO有立方NaCI结构的(111)择优取向。
衬底温度对MgNiO性能的影响。在衬底温度低时,薄膜表面粗糙。在600℃时，表面相对平整。我们将衬底的温度逐渐增加,可以观察到实验中的MgNiO数据显示，其衍射峰的强度逐渐增强,可以得出其薄膜的结晶的质量也随着衬底的温度变化逐渐提高。但在650℃时,薄膜(111)取向的衍射峰强度变弱,并出现了(200)衍射峰。6000℃时薄膜的(111)衍射峰强度最强。
衬底材料对MgNiO性能的影响。对比衬底的两种材料石英和玻璃。可以通过实验发现衬底材料为石英时，MgNiO立方晶体结构上有表现出具有很好(200)方向；衬底材料改为玻璃衬底时，MgNiO立方晶体结构上则是没有形成有一定方向的晶向。
退火温度对MgNiO性能的影响。1100℃的高温退火后可以得到均匀致密MgNiO，具有较高的质量能制成为较好的薄膜,但是退火的温度在较低的700℃以下，却能使MgNiO的薄膜出现了晶体结构的缺陷。
1.2 MgO和NiO材料的高压研究状况
1.2.1 MgO材料的高压下研究状况
MgO以方镁石的形式存在于自然界中，同时也是地球形成的主要矿物之一。工业生产中不仅是冶炼镁的原料，由于MgO有耐高度耐火绝缘性能，也是重要的工业耐火陶瓷材料。高压科学和技术领域中，MgO也是一种广泛应用的典型氧化物。因MgO在压强227Gpa下可以保持稳定的NaCl的结构。进行高压下对该材料性质研究具有很重要的科学物理意义和实际工业应用价值。现有研究中主要通过冲击波实验、静高压试验和计算机理论模拟来探究MgO性能。
高压下的MgO研究，目前主要集中于高压对MgO膨胀系数的特征动力学中壳层模型结构的影响；高压下MgO材料内部组织缺陷对宏观特性对实际影响以及实际应用价值；高压下MgO材料物态方程相关数据值分析；高压下MgO的弹性模拟与热动力性质的研究等。
在实验模拟主要通过探究高压下MgO的三种方法近况。
（1）冲击波实验
MgO在常温常压下的能隙为7.83eV，是属于宽能隙材料。作为目前良好的绝缘材料，其在高温下也具有良好的绝缘性。但在TJ.Ahrens 冲击波实验是研究冲击压力100Gpa范围内的MgO单晶材料的电阻率，结果表示MgO电导率在90Gpa处出现了骤降。T J.Ahrens 对其结果进行分析并得到3种可能的机理。1）冲击压力导致了能隙发生了骤降，引起电导率的骤降。2）高温高压导致的载流子的运输造成了电导率的骤降。3）冲击诱导的缺陷使MgO能隙中产生了电子的缺陷态，从而引起电导率的骤降。四川师范大学在此基础上，通过计算机模拟的方法，用第一性原理计算理想晶体MgO在105Gpa范围内能隙随着冲击压力的变化关系。实验模拟得出压力并不是引起氧化镁的电阻率突降的原因。
此外，在常压下的MgO单晶材料具有良好的光学透明性，在冲击波实验中已经作为窗口材料使用。2008年，Li Jun等人测量了69.4Gpa冲击压力下MgO单晶材料在可见光范围内吸收系数。结果表明，MgO存在光吸收现象，在69.4Gpa冲击压力下产生了光吸收现象（如图11），并且发现可见光范围内光吸收系数随波长增加而减小。由于MgO材料在实验中充当重要仪器材料，会影响最终实验数据的分析。对于高压下的光吸收系数还有待进一步研究分析。
目 录
第一章 绪论 01
1.1 MgNiO材料及其属性01
1.2 MgO和NiO材料的高压研究状况01
第二章 计算机模拟方法07
2.1 Shrodinger方程的密度泛函理论近似求解07
2.2 第一性原理方法在NiO合金相关属性研究中的应用08
第三章 高压下MgNiO结构与带隙的第一性原理计算10
3.1 建立模型10
3.2 程序运行代码10
3.3 数据处理12
3.4 结果与讨论 18
第四章 总结与展望19
致谢 20
参考文献21
绪论
1.1 MgNiO材料及其属性
MgO和NiO具有相同晶体结构和接近的晶格常数，因此MgNiO合金不存在结构分相问题。MgNiO作为宽带隙半导体材料，由于直接带隙且在可见区具有陡峭截止,是制备高精度、高效率紫外探测器件的备选材料。当前MgNiO的研究主要是其结构、光学特性、紫外探测性能的研究。目前，有关MgNiO实验制备的参数有溅射功率、衬底温度、衬底材料、退火温度。
溅射功率对MgNiO性能的影响。随溅射功率的增加,衍射峰强度 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
逐渐增强，结晶质量和结晶性能变好，但其表面则不平整。并发现MgNiO有立方NaCI结构的(111)择优取向。
衬底温度对MgNiO性能的影响。在衬底温度低时,薄膜表面粗糙。在600℃时，表面相对平整。我们将衬底的温度逐渐增加,可以观察到实验中的MgNiO数据显示，其衍射峰的强度逐渐增强,可以得出其薄膜的结晶的质量也随着衬底的温度变化逐渐提高。但在650℃时,薄膜(111)取向的衍射峰强度变弱,并出现了(200)衍射峰。6000℃时薄膜的(111)衍射峰强度最强。
衬底材料对MgNiO性能的影响。对比衬底的两种材料石英和玻璃。可以通过实验发现衬底材料为石英时，MgNiO立方晶体结构上有表现出具有很好(200)方向；衬底材料改为玻璃衬底时，MgNiO立方晶体结构上则是没有形成有一定方向的晶向。
退火温度对MgNiO性能的影响。1100℃的高温退火后可以得到均匀致密MgNiO，具有较高的质量能制成为较好的薄膜,但是退火的温度在较低的700℃以下，却能使MgNiO的薄膜出现了晶体结构的缺陷。
1.2 MgO和NiO材料的高压研究状况
1.2.1 MgO材料的高压下研究状况
MgO以方镁石的形式存在于自然界中，同时也是地球形成的主要矿物之一。工业生产中不仅是冶炼镁的原料，由于MgO有耐高度耐火绝缘性能，也是重要的工业耐火陶瓷材料。高压科学和技术领域中，MgO也是一种广泛应用的典型氧化物。因MgO在压强227Gpa下可以保持稳定的NaCl的结构。进行高压下对该材料性质研究具有很重要的科学物理意义和实际工业应用价值。现有研究中主要通过冲击波实验、静高压试验和计算机理论模拟来探究MgO性能。
高压下的MgO研究，目前主要集中于高压对MgO膨胀系数的特征动力学中壳层模型结构的影响；高压下MgO材料内部组织缺陷对宏观特性对实际影响以及实际应用价值；高压下MgO材料物态方程相关数据值分析；高压下MgO的弹性模拟与热动力性质的研究等。
在实验模拟主要通过探究高压下MgO的三种方法近况。
（1）冲击波实验
MgO在常温常压下的能隙为7.83eV，是属于宽能隙材料。作为目前良好的绝缘材料，其在高温下也具有良好的绝缘性。但在TJ.Ahrens 冲击波实验是研究冲击压力100Gpa范围内的MgO单晶材料的电阻率，结果表示MgO电导率在90Gpa处出现了骤降。T J.Ahrens 对其结果进行分析并得到3种可能的机理。1）冲击压力导致了能隙发生了骤降，引起电导率的骤降。2）高温高压导致的载流子的运输造成了电导率的骤降。3）冲击诱导的缺陷使MgO能隙中产生了电子的缺陷态，从而引起电导率的骤降。四川师范大学在此基础上，通过计算机模拟的方法，用第一性原理计算理想晶体MgO在105Gpa范围内能隙随着冲击压力的变化关系。实验模拟得出压力并不是引起氧化镁的电阻率突降的原因。
此外，在常压下的MgO单晶材料具有良好的光学透明性，在冲击波实验中已经作为窗口材料使用。2008年，Li Jun等人测量了69.4Gpa冲击压力下MgO单晶材料在可见光范围内吸收系数。结果表明，MgO存在光吸收现象，在69.4Gpa冲击压力下产生了光吸收现象（如图11），并且发现可见光范围内光吸收系数随波长增加而减小。由于MgO材料在实验中充当重要仪器材料，会影响最终实验数据的分析。对于高压下的光吸收系数还有待进一步研究分析。
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