12065-36-0 / 氮化鍺的多形體研究報道

背景及概述^[2]

ⅢA和ⅣA族元素的氮化物由于具有優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)和熱力學(xué)性能，通?？梢宰鳛楦邷亟Y(jié)構(gòu)材料、催化劑、發(fā)光二極管和難熔陶瓷來使用。目前的實驗和理論研究都主要集中在BN和Si₃N₄材料上，關(guān)于氮化鍺（Ge₃N₄）的研究相對較少。實際上，因為Ge原子比Si原子的載流子遷移率高，所以用鍺制造的半導(dǎo)體場效應(yīng)管具備更加優(yōu)異的性能。鍺原子的半徑較大，因此Ge₃N₄發(fā)生相變的臨界壓強要低于Si₃N₄的相變壓。氮化鍺還具有耐腐蝕、硬度高、帶隙可調(diào)節(jié)等優(yōu)點，因此具有很大的應(yīng)用前景。

多形體研究^[1-2]

倉玉萍等人采用量子化學(xué)從頭算方法,對Ge₃N₄的四方、單斜和正交結(jié)構(gòu)同質(zhì)異相體的微結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和聲子譜進行了研究。形成焓為負值、彈性常數(shù)滿足Born穩(wěn)定性準則和聲子譜無虛頻等結(jié)果證實在020GPa范圍內(nèi)3種相都能保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。溫度變化影響到晶胞體積,從而使體模量發(fā)生改變。3種Ge₃N₄都屬于半導(dǎo)體,Ge原子和N原子之間存在明顯的s-p雜化現(xiàn)象。當(dāng)壓強增大時誘發(fā)了離域電子,從而使體系的帶隙減小。本研究還采用準諧近似對Ge₃N₄的熱力學(xué)性質(zhì)進行了研究,結(jié)果表明,溫度和壓強對熱膨脹系數(shù)、熵、熱容、德拜溫度和格林愛森參數(shù)產(chǎn)生了明顯影響。m-Ge₃N₄和t-Ge₃N₄的熱膨脹系數(shù)分別為o-Ge₃N₄的3倍和2倍。t-Ge₃N₄和o-Ge₃N₄的晶格諧振頻率基本不受溫度的影響。

陳東等人采用第一原理框架下的平面波+贗勢方法,對Ge₃N₄的三種新結(jié)構(gòu)進行了計算。計算結(jié)果表明四方、單斜和正交結(jié)構(gòu)的氮化鍺滿足力學(xué)和熱力學(xué)穩(wěn)定條件,都可以穩(wěn)定存在。o-Ge₃N₄的抗剪切能力和硬度都是三者之中最高的。本文得到了三種相的聲子譜,即介電函數(shù)、能量損失譜和光吸收譜;研究發(fā)現(xiàn)在可見光區(qū)域三相的吸收都很弱,主要呈現(xiàn)出紫外吸收特征。介電函數(shù)虛部的峰值是由N-2p軌道的電子向Ge-4s和4p軌道躍遷形成的。聲子譜表現(xiàn)出N原子和Ge原子雜化的特征。

參考文獻

[1]倉玉萍,陳東,楊帆,楊慧明。氮化鍺多形體的四方、單斜和正交畸變的理論研究[J]。高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報,2016,37(04):674-681。

[2]陳東,姚曉玲,楊帆,楊慧明。三種新型氮化鍺材料的第一原理原子尺度研究[J]。信陽師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2017,30(01):32-36。