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空位对纤锌矿型AlN自发极化影响的最大局域化Wannier函数方法研究

牛海波 陈光德 伍叶龙 耶红刚

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空位对纤锌矿型AlN自发极化影响的最大局域化Wannier函数方法研究

牛海波, 陈光德, 伍叶龙, 耶红刚

Influence of vacancy on spontaneous polarization of wurtzite AlN: a maximally localized Wannierfunction study

Niu Hai-Bo, Chen Guang-De, Wu Ye-Long, Ye Hong-Gang
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  • 采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了纤锌矿型AlN中引入不同电荷态的N空位和Al空位时结构中最大局域化Wannier函数,并根据Wannier函数的空间分布及空间分布的几何中心位置,对空位引起的晶体电子结构变化及[0001],[1010],[1210]晶向上的自发极化进行了研究. 结果表明,利用最大局域化Wannier函数分析电子结构具有直观的特点,清晰地表明N–Al 键具有较强的离子性. 研究发现,N空位结构中悬挂键上电荷向空位处转移,而Al空位结构中悬挂键上电荷则远离空位,沿悬挂键方向移动到N原子一侧. 同时发现,空位的引入破坏了[1010],[1210]晶向上的中心对称结构,产生了极化,且极化强度随着空位电荷态的增加而增大. 在[0001]晶向上,随着N空位电荷态的增加,空位周围电子结构发生了剧烈变化,使得自发极化发生了逆转,极化强度随着电荷态的增加而增大; 而在Al空位中,随着电荷态的增加,自发极化沿原方向显著增加,但没有发生极化反转.
    By using first-principles plane-wave ultrasoft pseudopotential method based on the density functional theory, the maximally localized Wannier functions of N vacancy and Al vacancy with different charge states in wurtzite AlN are calculated. With the shape and center of the computed Wannier function, the electronic structure and the spontaneous polarization of vacancy are studied respectively. The results show that N–Al bond possesses a large ionicity. It is found that the electrons of the dangling bonds displace to the positions of vacancies in N vacancy structure, while in Al vacancy structure the electrons of dangling bonds keep away from vacancies and move to the other side of N atoms. Since the vacancy breaks the centrosymmetry of the [1010] and [1210] orientations, the polarization will be induced in these two directions, and the polarization will increase as the charge increases. In the [0001] orientation, the spontaneous polarization in N vacancy will reverse as charge increases because of the dramatic variation of the electronic structure. Contrary to N vacancy, the reversion does not occur although the spontaneous polarization of Al vacancy increases as charge increases.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号:61176079)和陕西省教育厅自然科学基金(批准号:2013JK0621)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61176079) and the Natural Science Foundation of Education Bureau of Shannxi Province, China (Grant No. 2013JK0621).
    [1]

    Taniyasu Y, Kasu M, Makimoto T 2006 Nature 441 325

    [2]

    Nishida T, Saito H, Kobayashi N 2001 Appl. Phys. Lett. 79 711

    [3]

    Walker D, Zhang X, Kung P, Saxler A, Javadpour S, Xu J, Razeghi M 1996 Appl. Phys. Lett. 68 2100

    [4]

    Hung A, Russo S P, McCulloch D G, Prawer S 2004 J. Chem. Phys. 120 4890

    [5]

    Zhong W, King-Smith R D, Vanderbilt D 1994 Phys. Rev. Lett. 72 3618

    [6]

    Bernardini F, Fiorentini V, Vanderbilt D 1997 Phys. Rev. B 56 10024

    [7]

    Maki J M, Makkonen I, Tuomisto F, Karjalainen A, Suihkonen S, Raisanen J, Chemekova T Y, Makarov Y N 2011 Phys. Rev. B 84 081204

    [8]

    Schulz T, Albrecht M, Irmscher K, Hartmann C, Wollweber J, Fornari R 2011 Phys. Status Solidi B 248 1513

    [9]

    Kingsmith R D, Vanderbilt D 1993 Phys. Rev. B 47 1651

    [10]

    Marzari N, Vanderbilt D 1997 Phys. Rev. B 56 12847

    [11]

    Benson D, Sankey O F, Häussermann U 2011 Phys. Rev. B 84 125211

    [12]

    Gao F, Bylaska E J, El-Azab A, Weber W J 2004 Appl. Phys. Lett. 85 5565

    [13]

    Corsetti F, Mostofi A A 2011 Phys. Rev. B 84 035209

    [14]

    Gao S P, Zhu T 2012 Acta Phys. Sin. 61 137103 (in Chinese) [高尚鹏, 祝桐 2012 物理学报 61 137103]

    [15]

    Marzari N, Mostofi A A, Yates J R, Souza I, Vanderbilt D 2012 Rev. Mod. Phys. 84 1419

    [16]

    Andrinopoulos L, Hine N D, Mostofi A A 2011 J. Chem. Phys. 135 154105

    [17]

    Giannozzi P, Baroni S, Bonini N, Calandra M, Car R, Cavazzoni C, Ceresoli D, Chiarotti G L, Cococcioni M, Dabo I, Dal Corso A, de Gironcoli S, Fabris S, Fratesi G, Gebauer R, Gerstmann U, Gougoussis C, Kokalj A, Lazzeri M, Martin-Samos L, Marzari N, Mauri F, Mazzarello R, Paolini S, Pasquarello A, Paulatto L, Sbraccia C, Scandolo S, Sclauzero G, Seitsonen A P, Smogunov A, Umari P, Wentzcovitch R M 2009 J. Phys.: Condens. Matter 21 395502

    [18]

    Mostofi A A, Yates J R, Lee Y S, Souza I, Vanderbilt D, Marzari N 2008 Comput. Phys. Commun. 178 685

    [19]

    Ye H G, Chen G D, Zhu Y Z, Zhang J W 2007 Acta Phys. Sin. 56 5376 (in Chinese) [耶红刚, 陈光德, 竹有章, 张俊武 2007 物理学报 56 5376]

    [20]

    Abu-Farsakh H, Qteish A 2007 Phys. Rev. B 75 085201

    [21]

    Lahnemann J, Brandt O, Jahn U, Pfuller C, Roder C, Dogan P, Grosse F, Belabbes A, Bechstedt F, Trampert A, Geelhaar L 2012 Phys. Rev. B 86 081302

    [22]

    Ye H G, Chen G D, Zhu Y Z, Lu H M 2007 Chin. Phys. 16 3803

    [23]

    Yates J R, Wang X J, Vanderbilt D, Souza I 2007 Phys. Rev. B 75 195121

    [24]

    Laaksonen K, Ganchenkova M G, Nieminen R M 2009 J. Phys.: Condens. Matter 21 015803

    [25]

    Vail J M, Schindel D, Yang A, Penner O, Pandey R, Jiang H, Blanco M A, Costales A, Qiu Q C, Xu Y 2004 J. Phys.: Condens. Matter 16 3371

  • [1]

    Taniyasu Y, Kasu M, Makimoto T 2006 Nature 441 325

    [2]

    Nishida T, Saito H, Kobayashi N 2001 Appl. Phys. Lett. 79 711

    [3]

    Walker D, Zhang X, Kung P, Saxler A, Javadpour S, Xu J, Razeghi M 1996 Appl. Phys. Lett. 68 2100

    [4]

    Hung A, Russo S P, McCulloch D G, Prawer S 2004 J. Chem. Phys. 120 4890

    [5]

    Zhong W, King-Smith R D, Vanderbilt D 1994 Phys. Rev. Lett. 72 3618

    [6]

    Bernardini F, Fiorentini V, Vanderbilt D 1997 Phys. Rev. B 56 10024

    [7]

    Maki J M, Makkonen I, Tuomisto F, Karjalainen A, Suihkonen S, Raisanen J, Chemekova T Y, Makarov Y N 2011 Phys. Rev. B 84 081204

    [8]

    Schulz T, Albrecht M, Irmscher K, Hartmann C, Wollweber J, Fornari R 2011 Phys. Status Solidi B 248 1513

    [9]

    Kingsmith R D, Vanderbilt D 1993 Phys. Rev. B 47 1651

    [10]

    Marzari N, Vanderbilt D 1997 Phys. Rev. B 56 12847

    [11]

    Benson D, Sankey O F, Häussermann U 2011 Phys. Rev. B 84 125211

    [12]

    Gao F, Bylaska E J, El-Azab A, Weber W J 2004 Appl. Phys. Lett. 85 5565

    [13]

    Corsetti F, Mostofi A A 2011 Phys. Rev. B 84 035209

    [14]

    Gao S P, Zhu T 2012 Acta Phys. Sin. 61 137103 (in Chinese) [高尚鹏, 祝桐 2012 物理学报 61 137103]

    [15]

    Marzari N, Mostofi A A, Yates J R, Souza I, Vanderbilt D 2012 Rev. Mod. Phys. 84 1419

    [16]

    Andrinopoulos L, Hine N D, Mostofi A A 2011 J. Chem. Phys. 135 154105

    [17]

    Giannozzi P, Baroni S, Bonini N, Calandra M, Car R, Cavazzoni C, Ceresoli D, Chiarotti G L, Cococcioni M, Dabo I, Dal Corso A, de Gironcoli S, Fabris S, Fratesi G, Gebauer R, Gerstmann U, Gougoussis C, Kokalj A, Lazzeri M, Martin-Samos L, Marzari N, Mauri F, Mazzarello R, Paolini S, Pasquarello A, Paulatto L, Sbraccia C, Scandolo S, Sclauzero G, Seitsonen A P, Smogunov A, Umari P, Wentzcovitch R M 2009 J. Phys.: Condens. Matter 21 395502

    [18]

    Mostofi A A, Yates J R, Lee Y S, Souza I, Vanderbilt D, Marzari N 2008 Comput. Phys. Commun. 178 685

    [19]

    Ye H G, Chen G D, Zhu Y Z, Zhang J W 2007 Acta Phys. Sin. 56 5376 (in Chinese) [耶红刚, 陈光德, 竹有章, 张俊武 2007 物理学报 56 5376]

    [20]

    Abu-Farsakh H, Qteish A 2007 Phys. Rev. B 75 085201

    [21]

    Lahnemann J, Brandt O, Jahn U, Pfuller C, Roder C, Dogan P, Grosse F, Belabbes A, Bechstedt F, Trampert A, Geelhaar L 2012 Phys. Rev. B 86 081302

    [22]

    Ye H G, Chen G D, Zhu Y Z, Lu H M 2007 Chin. Phys. 16 3803

    [23]

    Yates J R, Wang X J, Vanderbilt D, Souza I 2007 Phys. Rev. B 75 195121

    [24]

    Laaksonen K, Ganchenkova M G, Nieminen R M 2009 J. Phys.: Condens. Matter 21 015803

    [25]

    Vail J M, Schindel D, Yang A, Penner O, Pandey R, Jiang H, Blanco M A, Costales A, Qiu Q C, Xu Y 2004 J. Phys.: Condens. Matter 16 3371

  • [1] 郑鹏飞, 柳志旭, 王超, 刘卫芳. 基团替代调控无铅有机钙钛矿铁电体的极化和压电特性的第一性原理研究. 物理学报, 2024, 73(12): 126202. doi: 10.7498/aps.73.20240385
    [2] 张小娅, 宋佳讯, 王鑫豪, 王金斌, 钟向丽. In掺杂h-LuFeO3光吸收及极化性能的第一性原理计算. 物理学报, 2021, 70(3): 037101. doi: 10.7498/aps.70.20201287
    [3] 彭军辉, TikhonovEvgenii. 三元Hf-C-N体系的空位有序结构及其力学性质和电子性质的第一性原理研究. 物理学报, 2021, 70(21): 216101. doi: 10.7498/aps.70.20210244
    [4] 付宝勤, 侯氢, 汪俊, 丘明杰, 崔节超. 钨空位捕获氢及其解离过程的分子动力学. 物理学报, 2019, 68(24): 240201. doi: 10.7498/aps.68.20190701
    [5] 左博敏, 袁健美, 冯志, 毛宇亮. 应力调控下二维硒化锗五种同分异构体的第一性原理研究. 物理学报, 2019, 68(11): 113103. doi: 10.7498/aps.68.20182266
    [6] 侯清玉, 李勇, 赵春旺. Al掺杂和空位对ZnO磁性影响的第一性原理研究. 物理学报, 2017, 66(6): 067202. doi: 10.7498/aps.66.067202
    [7] 吴孔平, 齐剑, 彭波, 汤琨, 叶建东, 朱顺明, 顾书林. 第一性原理的广义梯度近似+U方法的纤锌矿Zn1-xMgxO极化特性与Zn0.75Mg0.25O/ZnO 界面能带偏差研究. 物理学报, 2015, 64(18): 187304. doi: 10.7498/aps.64.187304
    [8] 文平, 李春福, 赵毅, 张凤春, 童丽华. Cr,Mo,Ni在α-Fe(C)中占位、键合性质及合金化效应的第一性原理研究. 物理学报, 2014, 63(19): 197101. doi: 10.7498/aps.63.197101
    [9] 代广珍, 代月花, 徐太龙, 汪家余, 赵远洋, 陈军宁, 刘琦. HfO2中影响电荷俘获型存储器的氧空位特性第一性原理研究. 物理学报, 2014, 63(12): 123101. doi: 10.7498/aps.63.123101
    [10] 侯清玉, 乌云格日乐, 赵春旺. 高氧空位浓度对金红石TiO2导电性能影响的第一性原理研究. 物理学报, 2013, 62(16): 167201. doi: 10.7498/aps.62.167201
    [11] 赵立凯, 赵二俊, 武志坚. 5d过渡金属二硼化物的结构和热、力学性质的第一性原理计算. 物理学报, 2013, 62(4): 046201. doi: 10.7498/aps.62.046201
    [12] 李宇波, 王骁, 戴庭舸, 袁广中, 杨杭生. 第一性原理计算研究立方氮化硼空位的电学和光学特性. 物理学报, 2013, 62(7): 074201. doi: 10.7498/aps.62.074201
    [13] 赵荣达, 朱景川, 刘勇, 来忠红. FeAl(B2) 合金La, Ac, Sc 和 Y 元素微合金化的第一性原理研究. 物理学报, 2012, 61(13): 137102. doi: 10.7498/aps.61.137102
    [14] 赵宇宏, 黄志伟, 李爱红, 穆彦青, 杨伟明, 侯华, 韩培德, 张素英. Nb在Ni3Al中取代行为及合金化效应的第一性原理研究. 物理学报, 2011, 60(4): 047103. doi: 10.7498/aps.60.047103
    [15] 何旭, 何林, 唐明杰, 徐明. 第一性原理研究空位点缺陷对高压下LiF的电子结构和光学性质的影响. 物理学报, 2011, 60(2): 026102. doi: 10.7498/aps.60.026102
    [16] 王超营, 王振清, 孟庆元. 空位的第一性原理及经验势函数的对比研究. 物理学报, 2010, 59(5): 3370-3376. doi: 10.7498/aps.59.3370
    [17] 侯清玉, 张 跃, 张 涛. 高氧空位浓度对锐钛矿TiO2莫特相变和光谱红移及电子寿命影响的第一性原理研究. 物理学报, 2008, 57(3): 1862-1866. doi: 10.7498/aps.57.1862
    [18] 侯清玉, 张 跃, 张 涛. 高氧空位简并锐钛矿TiO2半导体电子寿命的第一性原理研究. 物理学报, 2008, 57(5): 3155-3159. doi: 10.7498/aps.57.3155
    [19] 党宏丽, 王崇愚, 于 涛. γ-TiAl中Nb和Mo合金化效应的第一性原理研究. 物理学报, 2007, 56(5): 2838-2844. doi: 10.7498/aps.56.2838
    [20] 孔月婵, 郑有炓, 周春红, 邓永桢, 顾书林, 沈 波, 张 荣, 韩 平, 江若琏, 施 毅. AlGaN/GaN异质结构中极化与势垒层掺杂对二维电子气的影响. 物理学报, 2004, 53(7): 2320-2324. doi: 10.7498/aps.53.2320
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出版历程
  • 收稿日期:  2014-04-07
  • 修回日期:  2014-04-28
  • 刊出日期:  2014-08-05

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