Si晶体能带结构的第一性原理计算固体物理上机资料文档.docx
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Si晶体能带结构的第一性原理计算
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一.模型构建与优化
1.打开MaterialStudio,File→Import→Structure→semiconductors→Si,构建Si的原始模型
2.通过DisplayStyle调整原子显示方式及颜色。
我们可以看出其属于立方晶系,面心立方格子,类金刚石结构。
3.选择CASTEPCalculation,Task选择GeometryOptimization,精度选择fine;点击more,精度选择fine,勾选Optimizecell,对晶胞参数和原子位置进行优化。
优化后的Si原胞如下图所示。
4.对比优化前后(左侧为优化前Si单胞,右侧为优化后Si原胞)
二.能量计算与分析
由能量收敛曲线可以看出,优化前Si的基态能量为-214.378eV,优化后的能量为-214.389eV,结构优化后的模型能量更低,更稳定。
三.电子态密度和能带计算分析
1.计算DOS及能带图。
对运行结果进行如下分析
得到BandStructure图,DOS图
2.能带分析
从能带图可以看出,费米能级的能量为0eV,费米能级以上为导带,费米能级以下为价带,导带底与价带顶之间能量差即为带隙,从能带图可以看出,Si存在带隙,带隙为0.647eV,说明Si是半导体,与实际相符。
又因为Si能带图中导带边kc与价带边kv不重合,说明Si是间接半导体。
2.DOS分析
DOS,态密度是E+dE能量范围内的能级(电子状态)数,费米能级能量为零,费米能级左侧为价带,右侧为导带,可以看出,费米能级两侧有一段态密度为0的区域,即为Si的带隙,因为带隙对应的是没有电子填充的状态,所以其态密度为零。
四.电荷密度计算与分析
1.电荷密度计算
calculation→populationanalysis→analysis→electrondensity得下图
2.电荷密度分析
通过上图可以看出Si晶体中共价键中间电荷密度最高,电荷主要集中在共价键上。
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