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ZnSe0.5Te0.5的高压相变的理论研究

时间:2015-03-02

朱岩12,张新宇1,*,张素红1,景勤1,马明臻1,刘日平1

1)(燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室)

2)(河北科技师范大学理化学院)

 

摘要通过第一性原理方法,研究了三元ZnSe0.5Te0.5合金的结构性质和压强诱发的固固相变。详细分析了相变顺序、结构参数、相对体积变化、形成能和电子性质。结果表明阳离子与阴离子间的相互作用在结构转变中其重要作用。合金中Zn-Se键较Zn-Te键更易于收到压强影响。ZnSe和ZnTe的不同相变顺序主要由Se和Te电负性差别所致。

引言

ZnSexTe1-x合金的成分改变会导致原子相互作用的变化因而有不同的应用。其高压结构已经吸引了广泛的研究。尽管ZnSe和ZnTe在周围条件下具有相同的结构,但两者高压结构性质截然不同,且目前这一问题还没有得到解释。ZnSexTe1-x合金的相图已经由Porres等人建立起来,但是这其中隐含的物理机制仍未得到澄清。因此进一步研究其高压相变具有重要的理论意义。

1、 模拟方法及参数设置

本文计算基于密度泛函理论(DFT)的CASTEP软件包。其中电子与离子实的相互作用采用超软赝势(USPP)描述,Zn、Se、Te的价电子构型分别为3d104s2 4s24p4和5s25p4。交换关联泛函采用广义梯度近似(GGA)中的PBE方法,截断能取600 eV,k点网格大小为8×8×8(ZB结构)、6×6×6(Cin结构)、10×6×6(Cmcm)和8×8×8(RS)。系统结构优化原子受力收敛至0.01eV/Å,总应力收敛精度为0.02GPa。

2、  模拟结果及讨论

首先通过比较形成焓,得到了ZnSe0.5Te0.5合金在0K时不同压强下各个结构相的相对稳定性和相变,结果如图1所示。可见,ZB结构在0压时有最低的焓值;在12.6GPa时出现ZB到Cin结构的相变;当压强进一步增至14.9GPa时发生Cin到RS的相变。进而对结构参数、弹性模量的计算结果显示出:从ZB到Cin相变的相对体积变化为8.77%;从Cin到RS的相变相对体积变化为7.20%。如图2所示。

图1 四种结构的相对焓值随压强的变化曲线图2 三种特定结构的体积随压强的变化关系

为了更好的理解相变顺序的产生机制,计算了ZnSe0.5Te0.5合金在不同压强下的态密度和部分态密度图,如图3所示。结果表明0GPa时其属于半导体本质,随着压强增加,带隙逐渐变窄,在15GPa时变为半金属。通过能带分析我们更加确定了电子性质的变化。在ZnSe0.5Te0.5合金中存在Se和Te原子间的相互作用,且随压强增加而增强。态密度图中电子轨道尖峰位置的不同可以解释相变发生的原因。

图3 三种结构ZnSe0.5Te0.5合金在不同压强下的态密度和部分态密度图。(a)0GPa,(b)13GPa,(c)15GPa,

为研究阴阳离子间的相互作用,做出了三种晶相的含Zn、Se和Te原子平面的电荷密度图,如图4所示。可见,在Se和Te原子周围累积的电子数随压强增加而增大;在阴离子间没有明显的相互作用;Zn-Se间的电子累积较Zn-Te间的少,表明前者键弱于后者。

图4 合金电荷密度等高线图

结论

我们详细分析了ZnSe0.5Te0.5合金的相变机制。结果表明压致相变顺序为ZB到Cin再到RS相,分别出现在12.6和14.9GPa处,伴随着8.77%和7。20%的相对体积改变。三元合金在低温下是不稳定的。在0GPa时为反道题,15GPa时变成半金属。Zn-Se键较Zn-Te键更易于受到压强的影响。

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文章期刊号

Physica B 449 (2014) 1–4

文章链接

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921452614003858

所属领域

金属材料