\begin{document}$ {{\text{V}}_{\text{P}}} $\end{document}和VGe两种缺陷结构较难形成, \begin{document}$ {\text{V}}_{\text{Zn}}^{-} $\end{document}, \begin{document}$ {\text{Z}}{{\text{n}}_{{\text{Ge}}}} $\end{document}, \begin{document}$ {\text{Ge}}_{{\text{Zn}}}^{+} $\end{document}\begin{document}$ {\text{G}}{{\text{e}}_{{\text{Zn}}}}{\text{ + }}{{\text{V}}_{{\text{Zn}}}} $\end{document}四种缺陷容易形成. 当Ge原子微富余Zn原子, 温度为10 K, 500 K和600 K时, \begin{document}$ {\text{V}}_{\text{Zn}}^{-} $\end{document}形成能小于\begin{document}$ {\text{Ge}}_{{\text{Zn}}}^{+} $\end{document}, 当温度为273 K和400 K时, \begin{document}$ {\text{Ge}}_{{\text{Zn}}}^{+} $\end{document}形成能小于\begin{document}$ {\text{V}}_{\text{Zn}}^{-} $\end{document}. 晶体的体积膨胀率与缺陷形成能的关系为负相关, 即晶体体积膨胀率越大, 缺陷形成能越低. 差分电荷密度分析显示GeZn和VZn + GeZn两种缺陷结构中原子间电子云密度增强, 空位缺陷(VZn和VGe)与反位缺陷(GeZn和ZnGe)结合形成联合缺陷后, 空位缺陷格点处电子云密度增强. 当温度为10 K时, ZnGeP2晶体的吸收光谱显示VGe, VZn, ZnGe和GeZn四种缺陷结构在0.6—2.5 µm有较明显吸收. VZn的迁移能最低, VGe迁移能最高. VP在迁移过程中迁移能与空间位阻有关, 而VGe和VZn的迁移能与原子间距离有关."> - 必威体育下载

搜索

x

留言板

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

downloadPDF
引用本文:
Citation:

    马天慧, 雷作涛, 张晓萌, 付秋月, 布和巴特尔, 朱崇强, 杨春晖

    Investigation of stability and migration mechanism of defects in ZnGeP2crystals by density functional theory

    Ma Tian-Hui, Lei Zuo-Tao, Zhang Xiao-Meng, Fu Qiu-Yue, Bu Hebateer, Zhu Chong-Qiang, Yang Chun-Hui
    PDF
    HTML
    导出引用
    • ZnGeP 2晶体是3—5 μm中红外激光输出的最好频率转换材料, 可实现激光器的全固态化和大功率输出. 但在8—12 μm处由于本证缺陷导致的吸收带与光参量振荡器的抽运波长交叠, 限制了光参量振荡器的应用性能, 使其无法实现远红外激光输出. 本论文采用密度泛函理论讨论了ZnGeP 2晶体6种缺陷结构的形成能与缺陷迁移机制. 结果表明 $ {{\text{V}}_{\text{P}}} $ 和V Ge两种缺陷结构较难形成, $ {\text{V}}_{\text{Zn}}^{-} $ , $ {\text{Z}}{{\text{n}}_{{\text{Ge}}}} $ , $ {\text{Ge}}_{{\text{Zn}}}^{+} $ $ {\text{G}}{{\text{e}}_{{\text{Zn}}}}{\text{ + }}{{\text{V}}_{{\text{Zn}}}} $ 四种缺陷容易形成. 当Ge原子微富余Zn原子, 温度为10 K, 500 K和600 K时, $ {\text{V}}_{\text{Zn}}^{-} $ 形成能小于 $ {\text{Ge}}_{{\text{Zn}}}^{+} $ , 当温度为273 K和400 K时, $ {\text{Ge}}_{{\text{Zn}}}^{+} $ 形成能小于 $ {\text{V}}_{\text{Zn}}^{-} $ . 晶体的体积膨胀率与缺陷形成能的关系为负相关, 即晶体体积膨胀率越大, 缺陷形成能越低. 差分电荷密度分析显示Ge Zn和V Zn+ Ge Zn两种缺陷结构中原子间电子云密度增强, 空位缺陷(V Zn和V Ge)与反位缺陷(Ge Zn和Zn Ge)结合形成联合缺陷后, 空位缺陷格点处电子云密度增强. 当温度为10 K时, ZnGeP 2晶体的吸收光谱显示V Ge, V Zn, Zn Ge和Ge Zn四种缺陷结构在0.6—2.5 µm有较明显吸收. V Zn的迁移能最低, V Ge迁移能最高. V P在迁移过程中迁移能与空间位阻有关, 而V Ge和V Zn的迁移能与原子间距离有关.
      ZnGeP 2crystals are the frequency conversion materials with the excellent comprehensive performances in a range of 3–5 μm. However, the overlap of the absorption band and the pump wavelength range of optical parametric oscillator at 8–12 μm limits the application performance of the optical parametric oscillator and makes it impossible to achieve a far-infrared laser output. In this work, the formation energy and migration mechanism of six kinds of defects of ZnGeP 2crystal are discussed by density functional theory. The results show that two defective structures of $\rm{V_P}$ and $\rm{V_{Ge}}$ are difficult to form, while four defective structures of $\rm V_{\rm Zn}^ -$ , $\rm{Z{n_{Ge}}}$ , $ {\rm Ge}_{\rm Zn}^ + $ and $\rm{ G{e_{\rm Zn}} + {V_{\rm Zn}}}$ are easy to create. When the number of Ge atoms are slightly more than that of Zn atoms in ZnGeP 2crystals, the vacancy defects $\rm V_{\rm Zn}^ -$ form more easily than antistructure defects $ {\rm Ge}_{\rm Zn}^ + $ at 10 K, 500 K and 600 K, but the antistructure defects $ {\rm Ge}_{\rm Zn}^ + $ are easier to form than the vacancy defects $ {\text{V}}_{\text{Zn}}^{-} $ at 273 K and 400 K. There is a negative correlation between the volume expansion rate and the defect formation energy of ZnGeP 2crystal. The larger the volume expansion rate, the lower the defect formation energy is. The differential charge density shows that the electron cloud density among the atoms is enhanced in the defective structures of Ge Znand V Zn+Ge Zn. The electron cloud density at the lattices of vacancy defects is enhanced when the vacancy defects (V Znand V Ge) and antistructure defects (Ge Znand Zn Ge) form the joint defects. Comparing with the defect-free cells, the charge of Zn atoms increases significantly, that of Ge is significantly reduced, and that of P does not change in the antistructure defect Zn Geor Ge Zn. The absorption spectra of ZnGeP 2crystal at 10K show that there is the significant absorption in a wavelength range from 0.6 μm to 2.5 μm for the four defective structures: V Ge, V Zn, Zn Geand Ge Zn, while the absorption in this range is small for the defective structures V Pand Ge Zn+V Zn. The V Znhas the lowest migration energy, while V Gehas the highest. The difficulty for V Pto migrate depends on the space resistance, while the difficulty for V Geand V Znto migrate depend on the inter-atomic distance. This may be related to the small radius and high proportion of P atoms and the large radius and low proportion of Ge and Zn atom in ZnGeP 2crystal.
          通信作者:马天慧,matianhui1972921@163.com
        • 基金项目:国家自然科学基金(批准号: 52172002)、黑龙江省科学基金项目(批准号: LH2019E079, YQ2020B002)、黑龙江省省属高等学校基本科研业务费科研项目(批准号:2021GJ03)、中央支持地方高校改革发展资金人才培养项目(批准号: 2021GSP13)和黑龙江省重点研发计划指导类项目(批准号: GZ20210140)资助的课题.
          Corresponding author:Ma Tian-Hui,matianhui1972921@163.com
        • Funds:Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 52172002), the Science Foundation Project of Heilongjiang Province, China (Grant Nos. LH2019E079, YQ2020B002), Basic scientific research project of Heilongjiang Province(Grant No.2021GJ03), the Talent Training Project of the Central Government for the Reform and Development of Local Colleges and Universities (Grant No. 2021GSP13), and the Key Research and Development Plan of Heilongjiang province (Grant No. GZ20210140).
        [1]

        [2]

        [3]

        [4]

        [5]

        [6]

        [7]

        [8]

        [9]

        [10]

        [11]

        [12]

        [13]

        [14]

        [15]

        [16]

        [17]

        [18]

        [19]

        [20]

        [21]

        [22]

      • 温度/K 元素 电荷 化学键 键长/nm 元素 电荷 元素 电荷 化学键 键长/nm 元素 电荷
        273 无缺陷晶体 Ge4 0.69 Ge4-P6 2.35899 P6 –0.32 ZnGe Zn9 0.13 Zn9-P8 2.48614 P8 –0.34
        Ge4-P4 2.35999 P4 –0.36 Zn9-P6 2.50023 P6 –0.4
        Ge4-P8 2.34575 P8 –0.32 Zn9-P12 2.49713 P12 –0.38
        Ge4-P3 2.28732 P3 –0.35 Zn9-P11 2.42738 P11 –0.33
        Zn3 0.01 Zn3-P4 2.31271 P4 –0.36 GeZn Ge1 0.37 Ge1-P6 2.69564 P6 –0.36
        Zn3-P3 2.34784 P3 –0.35 Ge1-P3 2.62636 P3 –0.32
        Zn3-P6 2.40425 P6 –0.32 Ge1-P8 2.57614 P8 –0.32
        Zn3-P8 2.46926 P8 –0.32 Ge1-P4 2.51162 P4 –0.35
        600 无缺陷晶体 Ge4 0.68 Ge4-P6 2.23412 P6 –0.37 ZnGe Zn5 0.15 Zn5-P8 2.3525 P8 –0.37
        Ge4-P4 2.34218 P4 –0.32 Zn5-P6 2.65332 P6 –0.32
        Ge4-P8 2.40672 P8 –0.34 Zn5-P12 2.6305 P12 –0.34
        Ge4-P3 2.34169 P3 –0.31 Zn5-P11 2.54137 P11 –0.36
        Zn2 0 Zn2-P5 2.48759 P5 –0.33 GeZn Ge1 0.37 Ge1-P7 2.57682 P7 –0.33
        Zn2-P7 2.37797 P7 –0.37 Ge1-P5 2.65679 P5 –0.34
        Zn2-P3 2.3425 P3 –0.31 Ge1-P8 2.56753 P8 –0.33
        Zn2-P8 2.40251 P8 –0.34 Ge1-P3 2.49967 P3 –0.29
        下载: 导出CSV

        原子间距/(10–10m) 迁移能/eV 原子间距/(10–10m) 迁移能
        /eV
        原子间距/(10–10m) 迁移能
        /eV
        P1-P2 3.729 2.48595 P1-P3 4.024 2.54995 P1-P4 3.757 3.31980
        P2-P1 3.729 2.45433 P3-P1 4.024 2.74953 P4-P1 3.757 3.24897
        P1-P5 3.881 2.75197 P1-P6 3.554 2.28346 P1-P7 3.781 2.35649
        P5-P1 3.881 2.67016 P6-P1 3.554 2.66777 P7-P1 3.781 2.27400
        P1-P8 3.633 2.08976 P1-P9 3.947 2.68005
        P8-P1 3.633 2.01885 P9-P1 3.947 2.87954
        下载: 导出CSV

        原子间距/(10–10m) 迁移能
        /eV
        原子间距/(10–10m) 迁移能/eV 原子间距/(10–10m) 迁移能
        /eV
        Ge1-Ge2 3.668 2.41507 Ge1-Ge3 6.682 4.84944 Ge1-Ge4 6.720 5.76056
        Ge2-Ge1 3.668 2.16555 Ge3-Ge1 6.682 4.77747 Ge4-Ge1 6.720 5.68664
        Ge1-Ge5 3.857 2.85194 Ge1-Ge6 3.906 2.67506 Ge1-Ge7 5.505 5.15750
        Ge5-Ge1 3.857 2.80361 Ge6-Ge1 3.906 2.62691 Ge7-Ge1 5.505 5.15696
        Ge1-Ge8 6.635 4.50346
        Ge8-Ge1 6.635 4.21664
        下载: 导出CSV

        原子间距/(10–10m) 迁移能
        /eV
        原子间距/(10–10m) 迁移能
        /eV
        原子间距/(10–10m) 迁移能
        /eV
        Zn1-Zn2 3.884 1.75494 Zn1-Zn3 3.730 2.03159 Zn1-Zn4 3.982 2.00985
        Zn2-Zn1 3.884 1.81019 Zn3-Zn1 3.730 2.05914 Zn4-Zn1 3.982 2.04534
        Zn1-Zn5 5.505 3.52642 Zn1-Zn6 6.906 5.04726
        Zn5-Zn1 5.505 3.52635 Zn6-Zn1 6.906 5.12510
        下载: 导出CSV
      • [1]

        [2]

        [3]

        [4]

        [5]

        [6]

        [7]

        [8]

        [9]

        [10]

        [11]

        [12]

        [13]

        [14]

        [15]

        [16]

        [17]

        [18]

        [19]

        [20]

        [21]

        [22]

      • [1] 吕行, 富容国, 常本康, 郭欣, 王芝.透射式GaAs光电阴极性能提高以及结构优化. 必威体育下载 , 2024, 73(3): 037801.doi:10.7498/aps.73.20231542
        [2] 龚凌云, 张萍, 陈倩, 楼志豪, 许杰, 高峰.Nb5+掺杂钛酸锶结构与性能的第一性原理研究. 必威体育下载 , 2021, 70(22): 227101.doi:10.7498/aps.70.20211241
        [3] 赵小强, 赵学童, 许超, 李巍巍, 任路路, 廖瑞金, 李建英.ZnO-Bi2O3系压敏陶瓷缺陷弛豫特性的研究进展. 必威体育下载 , 2017, 66(2): 027701.doi:10.7498/aps.66.027701
        [4] 姜艳, 刘贵立.剪切形变对硼氮掺杂碳纳米管超晶格电子结构和光学性能的影响. 必威体育下载 , 2015, 64(14): 147304.doi:10.7498/aps.64.147304
        [5] 刘海永, 张敏, 林国强, 韩克昌, 张林.脉冲偏压电弧离子镀Cr-O薄膜结构及光学性能研究. 必威体育下载 , 2015, 64(13): 138104.doi:10.7498/aps.64.138104
        [6] 沈杰, 魏宾, 周静, Shen Shirley Zhiqi, 薛广杰, 刘韩星, 陈文.Ba(Mg1/3Nb2/3)O3电子结构第一性原理计算及光学性能研究. 必威体育下载 , 2015, 64(21): 217801.doi:10.7498/aps.64.217801
        [7] 黄小林, 侯丽珍, 喻博闻, 陈国良, 王世良, 马亮, 刘新利, 贺跃辉.Cu/C核/壳纳米结构的气相合成、形成机理及其光学性能研究. 必威体育下载 , 2013, 62(10): 108102.doi:10.7498/aps.62.108102
        [8] 贾晓琴, 何智兵, 牛忠彩, 何小珊, 韦建军, 李蕊, 杜凯.热处理对制备辉光放电聚合物薄膜结构及光学性能的影响. 必威体育下载 , 2013, 62(5): 056804.doi:10.7498/aps.62.056804
        [9] 王辉, 蔺家骏, 何锦强, 廖永力, 李盛涛.沉淀剂对ZnO压敏陶瓷缺陷结构和电气性能的影响. 必威体育下载 , 2013, 62(22): 226103.doi:10.7498/aps.62.226103
        [10] 赵学童, 李建英, 李欢, 李盛涛.ZnO压敏陶瓷缺陷结构表征及冲击老化机理研究. 必威体育下载 , 2012, 61(15): 153103.doi:10.7498/aps.61.153103
        [11] 章瑞铄, 刘涌, 滕繁, 宋晨路, 韩高荣.锐钛矿相和金红石相TiO2:Nb的光电性能研究. 必威体育下载 , 2012, 61(1): 017101.doi:10.7498/aps.61.017101
        [12] 管东波, 毛健.Magnli相亚氧化钛Ti8O15的电子结构和光学性能的第一性原理研究. 必威体育下载 , 2012, 61(1): 017102.doi:10.7498/aps.61.017102
        [13] 赵静, 张益军, 常本康, 熊雅娟, 张俊举, 石峰, 程宏昌, 崔东旭.高性能透射式GaAs光电阴极量子效率拟合与结构研究. 必威体育下载 , 2011, 60(10): 107802.doi:10.7498/aps.60.107802
        [14] 王志勇, 胡慧芳, 顾林, 王巍, 贾金凤.含Stone-Wales缺陷zigzag型石墨烯纳米带的电学和光学性能研究. 必威体育下载 , 2011, 60(1): 017102.doi:10.7498/aps.60.017102
        [15] 吴雪炜, 吴大建, 刘晓峻.硼(氮、氟)掺杂对TiO2纳米颗粒光学性能的影响. 必威体育下载 , 2010, 59(7): 4788-4793.doi:10.7498/aps.59.4788
        [16] 张丽娟, 胡慧芳, 王志勇, 魏燕, 贾金凤.硼掺杂单壁碳纳米管吸附甲醛的电子结构和光学性能研究. 必威体育下载 , 2010, 59(1): 527-531.doi:10.7498/aps.59.527
        [17] 彭丽萍, 徐 凌, 尹建武.N掺杂锐钛矿TiO2光学性能的第一性原理研究. 必威体育下载 , 2007, 56(3): 1585-1589.doi:10.7498/aps.56.1585
        [18] 刘爱云, 孟祥建, 薛建强, 孙璟兰, 马建华, 汪 琳, 褚君浩.化学溶液法制备的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3薄膜的光学性能. 必威体育下载 , 2006, 55(6): 3128-3131.doi:10.7498/aps.55.3128
        [19] 沈 健, 刘守华, 沈自才, 孔伟金, 黄建兵, 邵建达, 范正修.基底微缺陷对介质薄膜光学性能影响的理论研究. 必威体育下载 , 2005, 54(10): 4920-4925.doi:10.7498/aps.54.4920
        [20] 张纯祥, 林理彬, 唐 强, 罗达玲.α-Al2O3: Mn单晶的三维热释发光谱研究. 必威体育下载 , 2004, 53(11): 3940-3944.doi:10.7498/aps.53.3940
      计量
      • 文章访问数:3113
      • PDF下载量:73
      • 被引次数:0
      出版历程
      • 收稿日期:2022-04-02
      • 修回日期:2022-07-07
      • 上网日期:2022-11-04
      • 刊出日期:2022-11-20

        返回文章
        返回
          Baidu
          map