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1、BN的能带结构和计算可靠性分析,材料物理 周俊杰 20111338021,背景,氮化硼是由氮原子和硼原子所构成的晶体。具有四种不同的变体：六方氮化硼（HBN)、菱方氮化硼（RBN）、立方氮化硼(CBN)和纤锌矿氮化硼(WBN)。本次研究的对象是立方氮化硼(CBN)。氮化硼耐腐蚀，电绝缘性很好，比电阻大于10-6 .cm；压缩强度为170MPa；在c轴方向上的热膨胀系数为4110-6/ 而在d轴方向上为2.310-6 ；在氧化气氛下最高使用温度为900，而在非活性还原气氛下可达2800，但在常温下润滑性能较差。氮化硼可以用在航天航空中的热屏蔽材料,金属成型的脱模剂和金属拉丝的润滑剂等方面。,建模
2、,面心立方结构 晶格常数:3.615 空间群:216 FM-43M 根据以上条件进行建模价电子排布 B ：2s2 2p1 N ：2s2 2p3,结果可靠性测试,为了分析该软件在材料设计方面的可靠性，对BN结构进行测试。分别考虑平面波截断能、k点设置等对计算结果的影响，在自洽精度为Fine的情况下，并采用LDA（局域密度近似）和GGA（广义梯度近似）以及超软赝势和规范-守恒赝势的方法对结果的影响进行分析。为了确保计算的速度、精度和计算结果的准确性，须对截断能Ecut和k点取样进行收敛测试,从而计算出合适的截断能和k点取样。通过对可靠性的性能分析，发现在超软赝势下，截断能为220eV,k点取值为4
3、，采用GGA（广义梯度近似）计算时，既能达到好的收敛精度，获得可靠的原胞晶体结构，又能尽量减少计算花费的时间。,计算设置：在超软赝势下，截断能为220eV，自洽精度为Fine，k-point set 444.,LDA得到的总能量最低，GGA(RPBE)得到的禁带宽度最接近理论值。,超软赝势下截面能与总能量的关系,超软赝势下截面能与计算时间的关系,分析可知，在超软赝势下，随着截面能的升高，BN的总能量会逐渐降低但会需要大量的时间。在截面能相同的情况下，LDA比GGA具有更低的总能量。同时计算时间也更短。,Cut-Energy 超软贋势下截断能选取与总能量和计算时间的关系,规范-守恒赝势下截面能与
4、总能量的关系,规范-守恒赝势下截面能与计算时间的关系,分析可知，在规范-守恒赝势下，随着截面能的升高，BN的总能量先降低后趋于平稳，在截面能相同的情况下，LDA比GGA具有更低的总能量，两者之间的能量差的绝对值相差较大。同时计算时间也更短。,规范-守恒赝势下截断能选取与总能量和计算时间的关系,超软赝势下k点的设置与总能量的关系,超软赝势下k点的设置与计算时间的关系,在超软赝势下，无论LDA还是GGA,只有当k点的取值为1时，能量最高，而在其他取值时，总能量逐渐在下降，可知k点的取值越高，精度也就越高，但计算时间也就越长。,规范-守恒赝势下k点选取与总能量和计算时间的关系,K-point,规范-
5、守恒赝势下k点的设置与总能量的关系,规范-守恒赝势下k点的设置与计算时间的关系,在规范-守恒赝势，无论LDA还是GGA,只有当k点的取值为1时，能量最高，而在其他取值时，总能量逐渐在下降，可知k点的取值越高，精度也就越高，但计算时间也就越长。 综合比较在规范-守恒赝势和超软赝势下的计算时间，发现超软赝势要比规范-守恒赝势的计算时间要低很多。,规范-守恒赝势下k点选取与总能量和计算时间的关系,计算,交换相关函数(Functional):GGA(RPBE) 截断能(Energy cutoff)：220eV 自洽计算收敛精度(SCF tolerance)：Fine k-point set: 444,
6、BN能带图,BN具有较宽的禁带宽度，为4.345eV。 其价带在k空间的G点，其导带的最低点在X点。为间接带隙半导体。 能带结构划分为两个部分, 费米能级用虚线划分为三个区域-23eV -13.8eV和-11.2eV0eV, 导带位于 4.3eV 54.6eV.,计算结果及其分析,BN态密度,B,N,BN的下价带区主要是由N 2s2和B 2s2p1态组成。而上价带区主要是由N 2p3和B 2s2p1态构成,还有少量的N 2s2。导带主要是由N 2p3和B 2s2p1态构成的,还有少量N 2s2。从分波态密度图中可以看出BN的共价键性质比较明显。 B： 2s2 2p1 N ： 2s2 2p3,布里渊区,布居分析,原子布居数,由上图可以看出，氮化硼是共价化合物，氮带负电荷为-0.62，硼带正电荷为 +0.62，在赝势计算中氮和硼的价电子结构分别为（氮s1.51 p4.11，硼 s0.65 p1.73）氮和硼之间形成的强烈的共价键。,重叠布居数一般来说，正值表示成共价键，正值越大，共价性越强；0表示纯离子键；负值表示反键。,分析可知BN的重叠布居数是2.60。说明氮化硼晶体中的结合键则是硼、氮异类原子间的共价结合键。,
