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固体物理上机资料文档

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。