فهرستعنوان ...... صفحهچکیده ........ 1فصل اول معرفی ساختار، خواص و کاربردهای ترکیبات BP و BSb ..... 21-1 مقدمه....... 21-2 معرفی نیمرساناها ....... 31-3 کاربرد نیمرساناها........ 41-4 بور (B)...... 41-5 ترکیبات بور ....... 51-6 بررسی مطالعات تجربی ونظری ترکیبات BP و BSb ........ 6فصل دوم مطالعه سیستمهای بسذرهای و ویژگیهای اپتیکی مواد ......... 92-1 مقدمه ........ 92-2 سیستمهای بس ذرهای .......... 102-2-1 تقریب بورن-اپنهایمر .............. 102-3 نظریه تابعی چگالی ........... 112-4 قضایای هوهنبرگ-کان ......... 112-5 معادلات کان-شم .... 132-6 تقریب چگالی موضعی (LDA) ]13[........................................................................................................... 162-7 تقریب شیب تعمیم یافته (GGA) ]15[........................................................................................................ 162-8 امواج تخت بهبودیافته(APW)..................................................................................................................... 182-9 امواج تخت بهبودیافته خطی(LAPW)........................................................................................................ 192-10 امواج تخت بهبودیافته خطی با پتانسیل کامل(FP-LAPW)....................................................................... 202-11 امواج تخت بهبودیافته به همراه اوربیتالهای موضعی................................................................................. 212-12 نظریهی ماکروسکوپی ثابتهای اپتیکی در فلزات همگن]23[.................................................................... 212-13 رابطه ساختاری موضعی و غیر موضعی برای رسانندگی............................................................................. 232-14 رابطه موضعی برای رسانندگی و بیان ثابتهای اپتیکی............................................................................... 232-15 نظریهی درود برای ثابتهای اپتیکی حاملهای آزاد]25[............................................................................ 262-16 محدوده غیر واهلش ................................................................................................................................... 282-17 محدوده واهلش .......................................................................................................................................... 292-18 محدوده فوق بنفش .................................................................................................................................... 302-19 تبدیلات کرامرز-کرونیگ]27[..................................................................................................................... 302-20 بیان کوانتومی تابع دی الکتریک]28[........................................................................................................... 312-21 چند قاعده برای تابع دی الکتریک............................................................................................................... 352-22 بیان کوانتومی تابع دی الکتریک در بلورها.................................................................................................. 36فصل سوم خواص ساختاری و الکترونی آلیاژهایBPxSb1-x(1 ،75/0 ،5/0 ،25/0 ،0=x) .......................... 383-1 مقدمه ............................................................................................................................................................ 383-2 روش محاسبات ............................................................................................................................................ 393-3 خواص ساختاری ترکیبات پایه ..................................................................................................................... 403-4 خواص الکترونی ترکیبات پایه ..................................................................................................................... 443-4-1 ساختار نوار انرژی ................................................................................................................................... 443-4-2 چگالی حالتهای اکترونی (DOS) ترکیبات پایه BSb و BP ................................................................ 483-5 خواص ساختاری آلیاژهای سه تاییBPxSb1-xبه ازای(75/0 ،5/0 ،25/0=x)........................................ 513-6 محاسبه ثابت شبکه تعادلی ومدول حجمی با استفاده ازقانون وگارد ومقایسه با نتایج به دست آمده............523-7 محاسبه پارامتر خمش ثابت شبکه ومدول حجمی ...................................................................................... 533-8 خواص الکترونی آلیاژهای سه تایی BPxSb1-xبه ازای(75/0 ،5/0 ،25/0=x) .......................................... 533-8-1 ساختار نوار انرژی آلیاژهای سه تایی BPxSb1-x به ازای(75/0 ،5/0 ،25/0=x) .................................... 533-8-2 مقایسه گاف نوار انرژی با دو تقریبPBE-GGA وEV-GGAدر فاز بلند روی...................................563-8-3 محاسبه محاسبه مقادیر گاف نوار انرژی با استفاده از قانون وگارد ......................................................... 563-8-4 محاسبه پارامتر خمش مقادیر گاف نوار انرژی ........................................................................................ 573-8-5 محاسبه مقادیر گاف نوار انرژی با استفاده از اختلاف الکترونگاتیوی........................................................ 573-8-6 محاسبه چگالی حالتهای آلیاژهای سه تایی .......................................................................................... 59فصل چهارم خواص اپتیکی آلیاژهایBPxSb1-x(1 ،75/0 ،5/0 ،25/0 ،0 =x)................................................624-1 مقدمه ............................................................................................................................................................ 624-2 خواص اپتیکی آلیاژهای BPxSb1-x (1 ،75/0 ،5/0 ،25/0 ،0=x).............................................................. 654-2-1 بخش حقیقی و موهومی تابع دی الکتریک .............................................................................................. 654-2-2 ثابت دی الکتریک .................................................................................................................................... 694-2-3 ضریب شکست و ضریب خاموشی.................................................................................. 694-2-4 محاسبه پارامترهای اپتیکی ضریب شکست و قسمت حقیقی تابع دی الکتریک با استفاده از مدلهای دیگر .............................................................................................................................................................................. 734-2-5 تابع اتلاف.................................................................................................................................... 764-2-6 ضریب بازتابو ضریب جذب ........................................................................................ 78فصل پنجم نتیجه گیری ........................................................................................................................................ 815-1 نتیجه گیری ................................................................................................................................................... 81منابع ...................................................................................................................................................................... 83چکیده انگلیسی .................................................................................................................................................... 87 فهرست جداولعنوان .......................................................................................................................................... صفحه(جدول 2-1): ثابتهای اپتیکی]25[..................................................................................................................... 26(جدول 3-1): مقادیر kpint بهینه برای فازهای مختلف آلیاژهای BPxSb1-x ....................................................... 40(جدول 3-2): پارامترهای ساختاری تعادلی شامل ثابت شبکه، مدول حجمی و مشتق مدول حجمی برای ترکیبات پایه ........................................................................................................................................................................ 43(جدول 3-3): مقادیر گاف نواری محاسبه شده با دو تقریب PBE-GGAوEV-GGAبرای فازهاینیمهرسانای ترکیبات پایه .......................................................................................................................................................... 48(جدول 3-4): مقادیر ثابت شبکه و مدول حجمی و مشتق مدول حجمی برای آلیاژهای سه تایی........................ 52(جدول 3-5): مقادیر گاف نواری برای آلیاژهای سه تاییBPxSb1-xبه ازای (75/0 ،5/0 ،25/0 =x )در فاز بلند روی .................................................................................................................................................... 55(جدول4-1): مقادیرkpint اپتیکی مناسب آلیاژهای BPxSb1-xبه ازای(1 ،75/0 ،5/0 ،25/0 ،0=x) در فاز بلند روی ...................................................................................................................................................................... 64(جدول 4-2): مقدار حقیقی ثابت دی الکتریک در فرکانس صفر برای آلیاژهای BPxSb1-xبه ازای غلظتهایمختلف (1 ،75/0 ،5/0 ،25/0 ،0=x)................................................................................................................... 69(جدول 4-3): مقدارضریب شکست استاتیکی برای آلیاژهای BPxSb1-x به ازای (1 ،75/0 ،5/0 ،25/0 ،0=x)............................................................................................................................................................................. 71(جدول 4-4): مقایسه مقادیر ضریب شکست آلیاژهای BPxSb1-x با استفاده از روشهای Vandamme، Ravindra، Moss و FP-LAPW در فاز بلند روی و با تقریب PBE-GGA ...................................................... 73 (جدول 4-5): مقایسه مقادیر قسمت حقیقی تابع دی الکتریک آلیاژهای BPxSb1-xبا استفاده از روشهای Vadamme، Ravindra، Moss و FP-LAPW در فاز بلند روی و با تقریب PBE-GGA ................................. 75 فهرست اشکالعنوان .......................................................................................................................................... صفحه(شکل 1-1): مقایسه ثابت شبکه تعادلی محاسبه شده و ثابت شبکه به دست آمده از قانون وگارد آلیاژهایBNxP1-x (سمت راست) وBNxAs1-x (سمت چپ) .............................................................................................................. 7(شکل 1-2): مقایسه مدول حجمی محاسبه شده و مدول حجمی به دست آمده از قانون وگارد آلیاژهایBNxP1-x (سمت راست) وBNxAs1-x (سمت چپ) ................................................................................................................................. 7(شکل 2-1):ویژه مقدارهای انرژی به ازای k های مشخص ]20[ ...................................................................... 19(شکل 2-2): طرح انتخاب شده برای بیان امواج الکترومغناطیسی عرضی در یک ماده همسانگرد.......................................... 22(شکل 2-3):نمایش امواج الکترو مغناطیسی تابشی، بازتابیده و عبور کرده در صفحهz=0................................ 25(شکل 2-4): رفتارقسمتحقيقيوموهوميتابعدي الکتريکبراييکگازالکترونآزادهمراهبامدلدرود......................... 30(شکل 2-5):رفتار طرح وارهای تابع دی الکتریک لورنتس و تابع دی الکتریک]24[ .......................................... 37(شکل 3-1): نمودار انرژی برحسب تعداد نقاط k درفضای وارون برای ترکیب BP0.5Sb0.5در فاز نمک طعام....................................................................................................................................................................... 39(شکل 3-2): یاخته واحد BSb در فاز NaCl....................................................................................................... 40(شکل 3-3): یاخته واحد BP در فاز NaCl......................................................................................................... 40(شکل 3-4): یاخته واحد BSb در فاز ZB.......................................................................................................... 41(شکل 3-5): یاخته واحد BP در فاز ZB............................................................................................................. 41(شکل3-6): یاخته واحد BSb در فاز wz............................................................................................................. 41(شکل 3-7): یاخته واحد BP در فاز wz ............................................................................................................. 41(شکل 3-8): نمودار انرژی برحسب حجم فازهای مختلف یاخته واحد BSb .................................................... 42(شکل 3-9): نمودار انرژی برحسب حجم فازهای مختلف یاخته واحد BP........................................................ 42(شکل 3-10): ساختار نوار انرژی BSb در فاز نمک طعام با تقریب PBE-GGA .............................................. 45(شکل 3-11): ساختار نوار انرژی BSb در فاز نمک طعام با تقریب EV-GGA ................................................ 45(شکل 3-12): ساختار نوار انرژی BP در فاز نمک طعام با تقریب PBE-GGA ................................................ 45(شکل 3-13): ساختار نوار انرژی BP در فاز نمک طعام با تقریب EV-GGA ................................................... 45(شکل 3-14): ساختار نوار انرژی BSb در فاز بلند روی با تقریب PBE-GGA ................................................ 46(شکل 3-15): ساختار نوار انرژی BSb در فاز بلند روی با تقریب EV-GGA.....................................................46(شکل 3-16): ساختار نوار انرژی BP در فاز بلند روی با تقریب PBE-GGA .................................................. 46(شکل 3-17): ساختار نوار انرژی BP در فاز بلند روی با تقریب EV-GGA ..................................................... 46(شکل 3-18): ساختار نوار انرژی BSb در فاز ورتزیت با تقریب PBE-GGA .................................................. 47(شکل 3-19): ساختار نوار انرژی BSb در فاز ورتزیت با تقریب EV-GGA...................................................... 47(شکل 3-20): ساختار نوار انرژی BP در فاز ورتزیت با تقریب PBE-GGA .................................................... 47(شکل 3-21): ساختار نوار انرژی BP در فاز ورتزیت با تقریب EV-GGA........................................................ 47(شکل 3-22): چگالی حالتهای الکترونی کلی و جزئی ترکیب BSb در فاز بلند روی(ZB)............................. 49(شکل 3-23): چگالی حالتهای الکترونی کلی و جزئی ترکیب BSb در فاز ورتزیت(wz)................................ 49(شکل 3-24): چگالی حالتهای الکترونی کلی و جزئی ترکیب BP در فاز بلند روی(ZB)............................... 50(شکل 3-25): چگالی حالتهای الکترونی کلی و جزئی ترکیب BP در فاز ورتزیت(wz).................................. 50(شکل 3-26): یاخته واحد BP0.25Sb0.75 در فاز بلند روی................................................................................... 51(شکل 3-27): یاخته واحد BP0.5Sb0.5 در فاز بلند روی...................................................................................... 51(شکل 3-28): یاخته واحد BP0.75Sb0.25 در فاز بلند روی................................................................................... 51(شکل 3-29): مقایسه ثابت شبکه تعادلی محاسبه شده و ثابت شبکه به دست آمده از قانون وگارد در فاز بلند روی ...................................................................................................................................................................... 53(شکل 3-30): مقایسه مدول حجمی محاسبه شده و مدول حجمی به دست آمده از قانون وگارد در فازبلند روی.............................................................................................................................................................. 53(شکل 3-31): ساختار نوار انرژی BP0.25Sb0.75 در فاز بلند روی با تقریب PBE-GGA ................................... 54(شکل 3-32): ساختار نوار انرژی BP0.25Sb0.75 در فاز بلند روی با تقریب EV-GGA ..................................... 54(شکل 3-33): ساختار نوار انرژی BP0.5Sb0.5 در فاز بلند روی با تقریب PBE-GGA ...................................... 54(شکل 3-34): ساختار نوار انرژی BP0.5Sb0.5 در فاز بلند روی با تقریب EV-GGA ........................................ 54(شکل 3-35): ساختار نوار انرژی BP0.75Sb0.25 در فاز بلند روی با تقریب PBE-GGA ................................... 55(شکل 3-36): ساختار نوار انرژی BP0.75Sb0.25 در فاز بلند روی با تقریب EV-GGA ..................................... 55(شکل 3-37): مقایسه گاف نوار انرژی در فاز بلند روی و با دو تقریب PBE-GGA و EV-GGA .................. 56(شکل 3-38): گافهای نواری به ازای غلظتهای مختلف x برای آلیاژهای BPxSb1-x با استفاده از قانون وگارد و تقریب PBE-GGA در فاز بلند روی.................................................................................................................... 57(شکل 3-39): گافهای نواری به ازای غلظتهای مختلف x برای آلیاژهای BPxSb1-x با استفاده از قانون وگارد و تقریب EV-GGA در فاز بلند روی ..................................................................................................................... 57(شکل 3-40): مقایسه گاف نوار انرژی محاسبه شده با استفاده از اختلاف الکترونگاتیوی، مقادیر برازش داده شده با معادله درجه دوم و مقادیر محاسباتی برای آلیاژهای BPxSb1-x در فاز بلند روی و با استفاده از تقریب PBE-GGA ................................................................................................................................................................... 58(شکل 3-41): مقایسه گاف نوار انرژی محاسبه شده با استفاده از اختلاف الکترونگاتیوی، مقادیر برازش داده شده با معادله درجه دوم و مقادیر محاسباتی برای آلیاژهای BPxSb1-x در فاز بلند روی و با استفاده از تقریب EV-GGA ................................................................................................................................................................... 58(شکل 3-42):چگالی حالتهای کلی و جزئی ترکیب BP0.25Sb0.75 درفاز بلند روی (ZB) با تقریب PBE-GGA......................................................................................................................................................................59(شکل 3-43):چگالی حالتهای کلی و جزئی ترکیب BP0.5Sb0.5 درفاز بلند روی (ZB) با تقریب PBE-GGA......................................................................................................................................................................60(شکل 3-44):چگالی حالتهای کلی و جزئی ترکیب BP0.75Sb0.25 درفاز بلند روی (ZB) با تقریب PBE-GGA......................................................................................................................................................................61(شکل 4-1): نمودار بر حسب انرژی در دو مقدار متفاوت kpoint برای ترکیب BSb در فاز بلند روی .............................................................................................................................................................................. 63(شکل 4-2): نمودار بر حسب انرژی در دو مقدار متفاوت kpoint برای ترکیب BP0.25Sb0.75 در فاز بلند روی ...................................................................................................................................................................... 63(شکل 4-3): بخش حقیقی تابع دی الکتریک آلیاژهای BPxSb1-x در فاز بلند روی .............................................66(شکل 4-4): بخش موهومی تابع دی الکتریک آلیاژهای BPxSb1-xدر فاز بلند روی ..........................................68(شکل 4-5): نمودار ضریب شکست آلیاژهای BPxSb1-xدر فاز بلند روی.........................................................70(شکل 4-6): نمودار ضریب خاموشی آلیاژهای BPxSb1-xدر فاز بلند روی.......................................................72(شکل 4-7): مقایسه مقادیر ضریب شکست آلیاژهای BPxSb1-x با استفاده ازروشهای Vandamme ،Ravindra، Moss و FP-LAPW در فاز بلند رویو تقریبPBE-GGA............................................................................. 74(شکل 4-8): مقایسه قسمت حقیقی تابع دی الکتریک آلیاژهای BPxSb1-x با استفاده ازروشهای Vandamme ،Ravindra، Moss و FP-LAPW در فاز بلند رویو تقریبPBE-GGA.......................................................... 75(شکل 4-9): تابع اتلاف انرژی آلیاژهای BPxSb1-xدر فاز بلند روی...................................................................77(شکل 4-10): ضریب بازتاب آلیاژهای BPxSb1-xدر فاز بلند روی...................................................................79(شکل 4-11): طیف ضریب جذب آلیاژهای BPxSb1-xدر فاز بلند روی.........................................................80چکیده در این مطالعه با بکارگیری روش FP-LAPW و در چارچوب نظریه تابعی چگالی خواص ساختاری، الکترونی و اپتیکی آلیاژهای BPxSb1-x در غلظتهای (1 ،75/0 ،5/0 ،25/0 ،0=x ) بررسی شده است. در گام نخست خواص ساختاری شامل پارامتر شبکه تعادلی، مدول حجمی و مشتق مدول حجمی برای ترکیبات دوتایی در فازهای نمک طعام، بلند روی، ورتزیت محاسبه شده است. سپس مقادیر ثابت شبکه و مدول حجمی به ازای غلظتهای مختلف محاسبه و نتایج حاصل از قانون وگارد مقایسه شده است. در مرحله بعد، خواص الکترونی شامل ساختار نوار انرژی و چگالی حالتها (DOS) بررسی شد. محاسبات ساختار نواری نشان میدهد که ترکیبهای BSb و BP در فازهای بلند روی و ورتزیت خاصیت نیمهرسانایی دارند در صورتی که این ترکیبات در فاز نمک طعام از خاصیت فلزی برخوردارند. همچنین گاف نوار انرژی برای آلیاژهای BPxSb1-x در فاز بلندروی با دو روش PBE-GGA و EV-GGA برآورده شده است. محاسبات مربوط به چگالی حالتها برای آلیاژهای BPxSb1-x نشان میدهد که سهم عمده چگالی حالتها در زیر سطح فرمی مربوط به اوربیتالهای p اتمهای (B)، (P) و (Sb) میباشد. در گام بعدی خواص اپتیکی این ترکیبات شامل بخشهای حقیقی و موهومی تابع دی الکتریک، تابع اتلاف انرژی، ضرایب شکست، بازتاب، جذب و خاموشی محاسبه و مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. محاسبات نشان میدهد که سهم اصلی در گذارهای اپتیکی BSb در فاز بلند روی ناشی از اوربیتال p اتمهای (B) و (Sb) به عنوان حالت اولیه و اوربیتالهای s و p اتم (B) به عنوان حالتهای نهایی و در مورد اتم BP ناشی از اوربیتال p اتمهای (B) و (P) به عنوان حالت اولیه و اوربیتالهای s و p اتمهای (B) و (P) به عنوان حالت نهایی میباشد. به کمک نمودار قسمت موهومی تابع دی الکتریک مشخص شد که جذب آلیاژهای BPxSb1-x در فاز بلندروی به ترتیب غلظت از انرژیهای 32/1، 62/1، 49/1، 89/0 و 78/1 الکترون ولت آغاز شده است که برابر آستانه گذار بین نواری میباشند. پیک اصلی طیف تابع اتلاف انرژی (فرکانس پلاسما) برای آلیاژهای BPxSb1-xبه ازای (1و 75/0 ،5/0 ،25/0 ،0 = x ) در فاز بلند روی به ترتیب در نقاط 74/22 و 96/20، 91/19، 03/19، 21/18 الکترون ولت قرار دارد. همچنین مقادیر ضریب شکست آلیاژهای BPxSb1-xدر فرکانس صفر که یکی از پارامترهای مهم اپتیکی است، علاوه بر روش FP-LAPW با استفاده از روشهای Moss، Ravindra، Vandamme در فاز بلند روی محاسبه شد. در پایان نیز مقادیر ضریب جذب، خاموشی و بازتاب برای آلیاژهای BPxSb1-x محاسبه شد. کلید واژه: نظریه تابعی چگالی، روش FP-LAPW، خواص ساختاری، خواص الکترونی، خواص اپتیکی فصل اولمعرفی ساختار، خواص و کاربردهای ترکیبات BP و BSb 1-1- مقدمه معمولاً درک پدیدههای حالت جامد بسیار دشوار است و نیاز به سادهسازی مسائل تا حد ممکن دارد. این نیاز موجب شد تا دانش پژوهان به مطالعه فلزات خالص، آلیاژهای ساده و یا ترکیبهای مشخص بپردازند. از سوی دیگر مهندسان یا دانش پژوهان علم مواد که تمایل به کاربرد پدیدههای حالت جامد دارند، به ندرت از عناصر خالص، به همان صورتی که در طبیعت وجود دارند، استفاده میکنند، بلکه با طراحی و یا با آزمون و خطا موادی میسازند که از نظر کاربردی و قیمت تمام شده نیاز آنها را برآورده سازند.این دو فرایند را در یک نمودار ساده نمایش میدهیم. پدیده های حالت جامد استفاده علمی شناخت بنیادیمواد ساده عناصر خالصموادکاربردی آلیاژهای پیچیده کاربردیآلیاژهای پیچیده پیشرفت پیشرفت در هر یک از این دو شاخه، به دنبال شناخت متقابل هدف و مبادله اطلاعات بین پژوهشگرانی که اصولاً با مسائل بنیادی درگیرند و آنها که با موارد استفاده علمی سر و کار دارند، بدست آمده است.به این منظور بر آن شدیم در این فصل ابتدا به معرفی ترکیبهای ساده BP و BSb بپردازیم و ویژگیهای ساختاری و الکترونی را بر مبنای نتایج نظری و تجربی موجود بررسی کرده و سپس به مطالعه آلیاژهای BPxSb1-x پرداخته، ساختار و ویژگیهای کلی آنها را بیان میکنیم.1-2- معرفی نیمرساناهااجسام از لحاظ عبور یا عدم عبور الکتریسته به دو دسته رسانا و عایق تقسیم میشوند اما گروه دیگری از اجسام نیز وجود دارند که نه به طور کامل رسانا و نه به طور کامل نارسانا هستند. این گروه خاص از اجسام را نیمهرسانا مینامند. هدایت الکتریکی نیمهرساناها تحت تاثیر عواملی چون تغییر میزان ناخالصی، تحریکات نوری و افزایش دما به شدت تغییر مینماید. این خاصیت مهم مبنای کار بسیاری از قطعات نیمهرسانا است که درصنعت الکترونیک به کار گرفته میشود.اجسام نیمهرسانا نیز مانند نارساناها دارای نوارهای پر و خالی هستند و نوار بخشی پر ندارند با این تفاوت که گاف انرژی بین بالاترین نوار پر و پائینترین نوار خالی بسیار کوچکتر از این گاف در نارساناها است .موادی که در کاربردهای الکترونیکی نیمهرساناها مورد استفاده قرار گرفتهاند شامل اکثر عناصر جدول تناوبی میباشند. گرچه معروفترین عناصر خالص که به عنوان نیمه رسانا شناخته شدهاند مانند سیلیکون، کربن و ژرمانیوم را میتوان در گروه IV یافت، اما متداول ترین عناصری که در دستگاههای میکروالکترونیک مورد استفاده قرار گرفتهاند و تشکیل مواد نیمهرسانا می دهند از گروههای III و V جدول تناوبی هستند.1-3- کاربرد نیم رساناهاوسایلی از قبیل ترانزیستورها، یکسوسازها (دیودها)، مدوله کنندهها، آشکارسازها، باتریهای خورشیدی و ... براساس ویژگیهای نیمهرساناها کار میکنند. همچنین خواص نیمهرسانا، این مواد را در ساخت لیزرهای نیمهرسانا ممتاز میکند. همچنین ظهور نیمه رساناها در علم الکترونیک انقلاب عظیمی را در این علم ایجاد کرده که اختراع رایانه یکی از دستاوردهای این انقلاب است.ترانزیستور از پرکاربردترین و اصلیترین عناصر در مدارات الکترونیکی و مجتمع میباشد. اگر نوع pرا با نوع n و دوباره با نوع p پیوند دهیم، عنصر به دست آمده ترانزیستور p n p نام خواهد داشت. برعکس اگر اگر نوع n را با نوع pو دوباره با نوع n پیوند دهیم، عنصر به دست آمده ترانزیستور n p n نام خواهد داشت که بیشتر از ترانزیستور p n p در صنعت کاربرد دارد.باتری خورشیدی که از نیمهرسانا ساخته میشود، یک قطعه الکترونیکی است که انرژی خورشیدی را مستقیماً توسط اثر فوتوالکتریک به الکتریسته تبدیل میکند. از دیگر کاربردهای نیمهرسانا ساخت دیود است. دیود قطعه الکترونیکی است که از پیوند نیمهرسانای نوع n با نوع p بدست میآید که خاصیت یکسوسازی آن بیشترین کاربرد را در الکترونیک دارد. در دیود هیچ تفاوتی بین اینکه نوع pرا با نوع nپیوند دهیم یا نوع nرا با نوع p پیوند دهیم وجود ندارد و در هر صورت عنصر بدست آمده دیود خواهد بود.1-4- بور (B)برای اولین باردر سال 1808 دیوی، گیلوساک و تنارد ]1[ توانستند بور را از ترکیباتش بدستآورند. پس از آن در سال 1892 مواسان توانست نمونهای از بور با خلوص 95 تا 98 درصد را به کمک منیزیم تهیه کند و تنها چندی قبل بود که با استفاده ازروش های نوین بور بسیار خالص با خلوص 99/99 درصد به بالا بدست آمد.بور اولین عنصرگروه سوم است که دارای عدد اتمی 5 می باشد. این عنصر نیمهرسانا بوده و خاصیتشیمیایی آن با هم گروهیهای خود بسیار متفاوت است. نخستین انرژی یونیزاسیونبور نسبتاً بالا بوده، دومین و سومین انرژی یونیزاسیون بسیار بالاست،بنابراین انرژی لازم برای تشکیل یون بور سه مثبت بسیار بیشتر از آن است کهتوسط انرژی شبکه تأمین گردد.در نتیجه شیمی بور کاملاً کووالانسی بوده و از دست دادن الکترون در آن نقشی ندارد. ترکیباتبور بیشتر از آن که شبیه ترکیبات سایر عناصر هم گروهی خود باشد شبیه بهترکیبات کربن و سیلیسیم است. بور ترکیباتنسبتاً پایداری با عناصر اکسیژن، نیتروژن و بیشتر فلزات تشکیل میدهد و به همیندلیل است که تهیه بور خالص با دشواری همراه است.بور یکنیمه رساناست و از لحاظ شیمیایی میتوان آن را در دسته غیرفلزها طبقه بندینمود. همانطور که گفته شد شیمی بور با شیمی سایر اعضاء هم گروهی خود متفاوتبوده و بیشتر به شیمی سیلیسیم شباهت دارد.بور فراوانیزیادی در طبیعت ندارد، معدنهای عمده رسوبات بور بیشتر در مناطق آتشفشانی وچشمههای آب گرم قرار دارند. با این توصیف انتظار میرود که در ایران دردامنههای دماوند و سبلان و در رشته کوههای البرز و زاگرس معادن بورناشناخته زیادی وجود داشته باشد.بور با خلوص 95 تا 98 درصد را میتوان توسط گرمایش پودرMgبا B2O3بدست آورد.محصول بدست آمده را ابتدا با قلیا و بعد با اسید کلریدریک و در نهایت با اسیدفلوئوریدریک به شدت میشویند. این بور به دست آمده بی شکل، به صورتپودر تیره رنگ بوده و ممکن است بلورهای بسیار ریز بور در آن یافت شود. البته مقداری اکسید و بورید نیز در آن وجود دارد.بور طبیعی دارایدو ایزوتوپ 10B با فراوانی 6/19% و 11B با فراوانی 4/80% است و همچنیندو آلوتروپ از آن بسیار شناخته شدهتر هستند.ترکیبهایی ازبور برای درمان درد مفاصل به کار می رود. هم چنین چون بورهیدریدها به آسانیاکسید شده و انرژی زیادی آزاد می کنند از آنها گاهی بهعنوان سوخت موشکاستفاده میشود.ترکیبهای بوردر لعاب دادن و میناکاری ظروف چینی به کار میروند. همچنین در تهیه کودها وعلف کشها، در دباغی چرم (قهوهای کردن چرم)، کنترل خوردگی، ابزارهایردیابی نوترون، به عنوان محافظ در برابر تابشهای هسته ای، در پاک کنندهها، صابونها، شویندهها و مواد آرایشی کاربرد بسیار وسیعی دارند.1-5- ترکیبات بورترکیبات بور خانوادهای از ترکیبات به شکلBX(X=N, P, As, Sb)را تشکیل میدهند، بطوری که X یکی از عناصر گروه V جدول تناوبی میباشد. این ترکیبات متعلق به خانوادهای هستند که خواص مشابهی از خود نشان میدهند، اما به تدریج این خواص با افزایش عدد اتمی اتمها تغییر می یابند. به عنوان مثال همگی آنها دارای ساختار بلورین بلند روی (ZB) با مختصات تتراهدرال میباشند، دارای هیبریداسیون هستند و ساختار الکترونی مشابهی دارند.ترکیبات بور به دلیل خواص منحصر به فرد و متفاوت با دیگر ترکیبات گروه III-V در سالهای اخیر به عنوان نیمهرساناهای با گاف انرژی بالا، مورد توجه خاص پژوهشگران قرار گرفتهاند. هدایت گرمایی بالا، چگالی پایین و گاف انرژی عریض از مشخصههای بارز این ترکیبات به شمار میروند که موجب کاربرد وسیع این ترکیبات در صنایع الکترونیک واپتوالکترونیک شدهاند.ترکیبات دوتایی و همچنین سهتایی و چهارتایی نیمه رساناها برای کاربردهای ویژهای استفاده میشوند، بنابراین بیشتر نیمهرساناها شامل آلیاژهایی با سه عنصر یا بیشتر میباشند. در گروه III-V ترکیبات BN، BSb، BP و BAs از جمله نیمهرساناهایی هستند که دارای ویژگیهای فیزیکی و اپتیکی سودمندی هستند. نتایج تجربی نشان میدهند که نیمهرساناهای BN، BSb، BP و BAsدر فاز تعادلی بلند روی(ZB) قرار دارند. همچنین چگالی حالتها و چگالی ابرالکترونی BSb و BP در فاز مکعبی (ZB) بررسی شده است و نتایج بدست آمده وجود یک گاف انرژی غیرمستقیم را در این فاز برای این ترکیبات نشان میدهد که دلیلی بر نیمهرسانا بودن آنها است.1-6- بررسی مطالعات تجربی و نظری ترکیبات BP و BSbنیمرساناهای گروه II-IVو III-V از جمله نیمرساناهای گاف پهن هستند که ویژگی این ترکیبات و آلیاژهای آنها از دههی 70 میلادی به بعد مورد بررسی قرار گرفت. نیمرساناها با پهنای گاف انرژی زیاد برای ساخت دیودها و لیزرهای با نوردهی در ناحیه بنفش، آبی و سبز و نیز کارایی آنها در الکترونیک دمای بالا، همواره مورد توجه پژوهشگران بوده است. به ویژه نیمرساناهای گروه III-Vبرای توسعه قطعات اپتوالکترونیکی آبی/فرابنفش توجه زیادی را به خود جلب کردهاند، که این مهم به دلیل موفقیتهای تاکامورا و همکارانش ]2[ در ساخت چشمههای لیزر نیمرسانای آبی است.نیمرساناهای BSb و BP از جمله نیمرساناهایی هستند که دارای ویژگیهای فیزیکی و اپتیکی سودمندی هستند. نیمرساناهایی مانند BSb، BP، BAs و... بیش از هشتاد درصد بازار نیمرساناهای ترکیبی را در اختیار دارند، لذا پروژههای تحقیقاتی فراوانی در این زمینه انجام گرفته است. یکی از اهداف مهم در پروژههای تحقیقاتی رسیدن به بازده نوری بالا به منظور جایگزینی دستگاههای نوری فعلی با نسل جدید منابع نوری بر پایهی LED میباشد. هر چند رشد ترکیبات BSb و BP به دلیل متفاوت بودن پارامترهای شبکه، مشکل است و هنوز نمونه رضایت بخشی از آن ارائه نشده است، ولی این ساختارها از دیدگاههای مختلف نظری مورد مطالعه است که نتایج حاصله میتواند برای پژوهشگرانی که در زمینهی رشد این گروه از نیمرساناها فعالیت دارند، مفید باشد.همچنین زونگر و همکارانش ]3[ به مطالعه و بررسی خواص ساختاری و الکترونی و ترمودینامیکی آلیاژهای BNxSb1-x ، BPxSb1-xوBAsxSb1-xپرداختهاند.اخیراً نیز اکبرزاده وهمکارانش ]4[ خواص ترمودینامیکی و الکترونیکی عناصرBP و BAs را مورد بررسی قرار دادهاند. آنها اثرتغییرناخالصی را با تغییر عدد xبر روی مقادیر ثابت شبکه، مدول حجمی و گاف نواری مورد بررسی قراردادهاند.شکلهای (1-1) و (1-2) به ترتیب نمودارهای مقایسهی مقادیر ثابت شبکه و مدول حجمی آلیاژهایBNxP1-x و BNxAs1-x که توسط اکبرزاده و همکارانش محاسبه شده، نشان داده شده است.
خواص ساختاری، الکترونی و اپتیکی آلیاژهای BPxSb1-x با استفاده از نظریه تابعی چگالیword
فهرستعنوان ...... صفحهچکیده ........ 1فصل اول معرفی ساختار، خواص و کاربردهای ترکیبات BP و BSb ..... 21-1 مقدمه....... 21-2 معرفی نیمرساناها ....... 31-3 کاربرد نیمرساناها........ 41-4 بور (B)...... 41-5 ترکیبات بور ....... 51-6 بررسی مطالعات تجربی ونظری ترکیبات BP و BSb ........ 6فصل دوم مطالعه سیستمهای بسذرهای و ویژگیهای اپتیکی مواد ......... 92-1 مقدمه ........ 92-2 سیستمهای بس ذرهای .......... 102-2-1 تقریب بورن-اپنهایمر .............. 102-3 نظریه تابعی چگالی ........... 112-4 قضایای هوهنبرگ-کان ......... 112-5 معادلات کان-شم .... 132-6 تقریب چگالی موضعی (LDA) ]13[........................................................................................................... 162-7 تقریب شیب تعمیم یافته (GGA) ]15[........................................................................................................ 162-8 امواج تخت بهبودیافته(APW)..................................................................................................................... 182-9 امواج تخت بهبودیافته خطی(LAPW)........................................................................................................ 192-10 امواج تخت بهبودیافته خطی با پتانسیل کامل(FP-LAPW)....................................................................... 202-11 امواج تخت بهبودیافته به همراه اوربیتالهای موضعی................................................................................. 212-12 نظریهی ماکروسکوپی ثابتهای اپتیکی در فلزات همگن]23[.................................................................... 212-13 رابطه ساختاری موضعی و غیر موضعی برای رسانندگی............................................................................. 232-14 رابطه موضعی برای رسانندگی و بیان ثابتهای اپتیکی............................................................................... 232-15 نظریهی درود برای ثابتهای اپتیکی حاملهای آزاد]25[............................................................................ 262-16 محدوده غیر واهلش ................................................................................................................................... 282-17 محدوده واهلش .......................................................................................................................................... 292-18 محدوده فوق بنفش .................................................................................................................................... 302-19 تبدیلات کرامرز-کرونیگ]27[..................................................................................................................... 302-20 بیان کوانتومی تابع دی الکتریک]28[........................................................................................................... 312-21 چند قاعده برای تابع دی الکتریک............................................................................................................... 352-22 بیان کوانتومی تابع دی الکتریک در بلورها.................................................................................................. 36فصل سوم خواص ساختاری و الکترونی آلیاژهایBPxSb1-x(1 ،75/0 ،5/0 ،25/0 ،0=x) .......................... 383-1 مقدمه ............................................................................................................................................................ 383-2 روش محاسبات ............................................................................................................................................ 393-3 خواص ساختاری ترکیبات پایه ..................................................................................................................... 403-4 خواص الکترونی ترکیبات پایه ..................................................................................................................... 443-4-1 ساختار نوار انرژی ................................................................................................................................... 443-4-2 چگالی حالتهای اکترونی (DOS) ترکیبات پایه BSb و BP ................................................................ 483-5 خواص ساختاری آلیاژهای سه تاییBPxSb1-xبه ازای(75/0 ،5/0 ،25/0=x)........................................ 513-6 محاسبه ثابت شبکه تعادلی ومدول حجمی با استفاده ازقانون وگارد ومقایسه با نتایج به دست آمده............523-7 محاسبه پارامتر خمش ثابت شبکه ومدول حجمی ...................................................................................... 533-8 خواص الکترونی آلیاژهای سه تایی BPxSb1-xبه ازای(75/0 ،5/0 ،25/0=x) .......................................... 533-8-1 ساختار نوار انرژی آلیاژهای سه تایی BPxSb1-x به ازای(75/0 ،5/0 ،25/0=x) .................................... 533-8-2 مقایسه گاف نوار انرژی با دو تقریبPBE-GGA وEV-GGAدر فاز بلند روی...................................563-8-3 محاسبه محاسبه مقادیر گاف نوار انرژی با استفاده از قانون وگارد ......................................................... 563-8-4 محاسبه پارامتر خمش مقادیر گاف نوار انرژی ........................................................................................ 573-8-5 محاسبه مقادیر گاف نوار انرژی با استفاده از اختلاف الکترونگاتیوی........................................................ 573-8-6 محاسبه چگالی حالتهای آلیاژهای سه تایی .......................................................................................... 59فصل چهارم خواص اپتیکی آلیاژهایBPxSb1-x(1 ،75/0 ،5/0 ،25/0 ،0 =x)................................................624-1 مقدمه ............................................................................................................................................................ 624-2 خواص اپتیکی آلیاژهای BPxSb1-x (1 ،75/0 ،5/0 ،25/0 ،0=x).............................................................. 654-2-1 بخش حقیقی و موهومی تابع دی الکتریک .............................................................................................. 654-2-2 ثابت دی الکتریک .................................................................................................................................... 694-2-3 ضریب شکست و ضریب خاموشی.................................................................................. 694-2-4 محاسبه پارامترهای اپتیکی ضریب شکست و قسمت حقیقی تابع دی الکتریک با استفاده از مدلهای دیگر .............................................................................................................................................................................. 734-2-5 تابع اتلاف.................................................................................................................................... 764-2-6 ضریب بازتابو ضریب جذب ........................................................................................ 78فصل پنجم نتیجه گیری ........................................................................................................................................ 815-1 نتیجه گیری ................................................................................................................................................... 81منابع ...................................................................................................................................................................... 83چکیده انگلیسی .................................................................................................................................................... 87 فهرست جداولعنوان .......................................................................................................................................... صفحه(جدول 2-1): ثابتهای اپتیکی]25[..................................................................................................................... 26(جدول 3-1): مقادیر kpint بهینه برای فازهای مختلف آلیاژهای BPxSb1-x ....................................................... 40(جدول 3-2): پارامترهای ساختاری تعادلی شامل ثابت شبکه، مدول حجمی و مشتق مدول حجمی برای ترکیبات پایه ........................................................................................................................................................................ 43(جدول 3-3): مقادیر گاف نواری محاسبه شده با دو تقریب PBE-GGAوEV-GGAبرای فازهاینیمهرسانای ترکیبات پایه .......................................................................................................................................................... 48(جدول 3-4): مقادیر ثابت شبکه و مدول حجمی و مشتق مدول حجمی برای آلیاژهای سه تایی........................ 52(جدول 3-5): مقادیر گاف نواری برای آلیاژهای سه تاییBPxSb1-xبه ازای (75/0 ،5/0 ،25/0 =x )در فاز بلند روی .................................................................................................................................................... 55(جدول4-1): مقادیرkpint اپتیکی مناسب آلیاژهای BPxSb1-xبه ازای(1 ،75/0 ،5/0 ،25/0 ،0=x) در فاز بلند روی ...................................................................................................................................................................... 64(جدول 4-2): مقدار حقیقی ثابت دی الکتریک در فرکانس صفر برای آلیاژهای BPxSb1-xبه ازای غلظتهایمختلف (1 ،75/0 ،5/0 ،25/0 ،0=x)................................................................................................................... 69(جدول 4-3): مقدارضریب شکست استاتیکی برای آلیاژهای BPxSb1-x به ازای (1 ،75/0 ،5/0 ،25/0 ،0=x)............................................................................................................................................................................. 71(جدول 4-4): مقایسه مقادیر ضریب شکست آلیاژهای BPxSb1-x با استفاده از روشهای Vandamme، Ravindra، Moss و FP-LAPW در فاز بلند روی و با تقریب PBE-GGA ...................................................... 73 (جدول 4-5): مقایسه مقادیر قسمت حقیقی تابع دی الکتریک آلیاژهای BPxSb1-xبا استفاده از روشهای Vadamme، Ravindra، Moss و FP-LAPW در فاز بلند روی و با تقریب PBE-GGA ................................. 75 فهرست اشکالعنوان .......................................................................................................................................... صفحه(شکل 1-1): مقایسه ثابت شبکه تعادلی محاسبه شده و ثابت شبکه به دست آمده از قانون وگارد آلیاژهایBNxP1-x (سمت راست) وBNxAs1-x (سمت چپ) .............................................................................................................. 7(شکل 1-2): مقایسه مدول حجمی محاسبه شده و مدول حجمی به دست آمده از قانون وگارد آلیاژهایBNxP1-x (سمت راست) وBNxAs1-x (سمت چپ) ................................................................................................................................. 7(شکل 2-1):ویژه مقدارهای انرژی به ازای k های مشخص ]20[ ...................................................................... 19(شکل 2-2): طرح انتخاب شده برای بیان امواج الکترومغناطیسی عرضی در یک ماده همسانگرد.......................................... 22(شکل 2-3):نمایش امواج الکترو مغناطیسی تابشی، بازتابیده و عبور کرده در صفحهz=0................................ 25(شکل 2-4): رفتارقسمتحقيقيوموهوميتابعدي الکتريکبراييکگازالکترونآزادهمراهبامدلدرود......................... 30(شکل 2-5):رفتار طرح وارهای تابع دی الکتریک لورنتس و تابع دی الکتریک]24[ .......................................... 37(شکل 3-1): نمودار انرژی برحسب تعداد نقاط k درفضای وارون برای ترکیب BP0.5Sb0.5در فاز نمک طعام....................................................................................................................................................................... 39(شکل 3-2): یاخته واحد BSb در فاز NaCl....................................................................................................... 40(شکل 3-3): یاخته واحد BP در فاز NaCl......................................................................................................... 40(شکل 3-4): یاخته واحد BSb در فاز ZB.......................................................................................................... 41(شکل 3-5): یاخته واحد BP در فاز ZB............................................................................................................. 41(شکل3-6): یاخته واحد BSb در فاز wz............................................................................................................. 41(شکل 3-7): یاخته واحد BP در فاز wz ............................................................................................................. 41(شکل 3-8): نمودار انرژی برحسب حجم فازهای مختلف یاخته واحد BSb .................................................... 42(شکل 3-9): نمودار انرژی برحسب حجم فازهای مختلف یاخته واحد BP........................................................ 42(شکل 3-10): ساختار نوار انرژی BSb در فاز نمک طعام با تقریب PBE-GGA .............................................. 45(شکل 3-11): ساختار نوار انرژی BSb در فاز نمک طعام با تقریب EV-GGA ................................................ 45(شکل 3-12): ساختار نوار انرژی BP در فاز نمک طعام با تقریب PBE-GGA ................................................ 45(شکل 3-13): ساختار نوار انرژی BP در فاز نمک طعام با تقریب EV-GGA ................................................... 45(شکل 3-14): ساختار نوار انرژی BSb در فاز بلند روی با تقریب PBE-GGA ................................................ 46(شکل 3-15): ساختار نوار انرژی BSb در فاز بلند روی با تقریب EV-GGA.....................................................46(شکل 3-16): ساختار نوار انرژی BP در فاز بلند روی با تقریب PBE-GGA .................................................. 46(شکل 3-17): ساختار نوار انرژی BP در فاز بلند روی با تقریب EV-GGA ..................................................... 46(شکل 3-18): ساختار نوار انرژی BSb در فاز ورتزیت با تقریب PBE-GGA .................................................. 47(شکل 3-19): ساختار نوار انرژی BSb در فاز ورتزیت با تقریب EV-GGA...................................................... 47(شکل 3-20): ساختار نوار انرژی BP در فاز ورتزیت با تقریب PBE-GGA .................................................... 47(شکل 3-21): ساختار نوار انرژی BP در فاز ورتزیت با تقریب EV-GGA........................................................ 47(شکل 3-22): چگالی حالتهای الکترونی کلی و جزئی ترکیب BSb در فاز بلند روی(ZB)............................. 49(شکل 3-23): چگالی حالتهای الکترونی کلی و جزئی ترکیب BSb در فاز ورتزیت(wz)................................ 49(شکل 3-24): چگالی حالتهای الکترونی کلی و جزئی ترکیب BP در فاز بلند روی(ZB)............................... 50(شکل 3-25): چگالی حالتهای الکترونی کلی و جزئی ترکیب BP در فاز ورتزیت(wz).................................. 50(شکل 3-26): یاخته واحد BP0.25Sb0.75 در فاز بلند روی................................................................................... 51(شکل 3-27): یاخته واحد BP0.5Sb0.5 در فاز بلند روی...................................................................................... 51(شکل 3-28): یاخته واحد BP0.75Sb0.25 در فاز بلند روی................................................................................... 51(شکل 3-29): مقایسه ثابت شبکه تعادلی محاسبه شده و ثابت شبکه به دست آمده از قانون وگارد در فاز بلند روی ...................................................................................................................................................................... 53(شکل 3-30): مقایسه مدول حجمی محاسبه شده و مدول حجمی به دست آمده از قانون وگارد در فازبلند روی.............................................................................................................................................................. 53(شکل 3-31): ساختار نوار انرژی BP0.25Sb0.75 در فاز بلند روی با تقریب PBE-GGA ................................... 54(شکل 3-32): ساختار نوار انرژی BP0.25Sb0.75 در فاز بلند روی با تقریب EV-GGA ..................................... 54(شکل 3-33): ساختار نوار انرژی BP0.5Sb0.5 در فاز بلند روی با تقریب PBE-GGA ...................................... 54(شکل 3-34): ساختار نوار انرژی BP0.5Sb0.5 در فاز بلند روی با تقریب EV-GGA ........................................ 54(شکل 3-35): ساختار نوار انرژی BP0.75Sb0.25 در فاز بلند روی با تقریب PBE-GGA ................................... 55(شکل 3-36): ساختار نوار انرژی BP0.75Sb0.25 در فاز بلند روی با تقریب EV-GGA ..................................... 55(شکل 3-37): مقایسه گاف نوار انرژی در فاز بلند روی و با دو تقریب PBE-GGA و EV-GGA .................. 56(شکل 3-38): گافهای نواری به ازای غلظتهای مختلف x برای آلیاژهای BPxSb1-x با استفاده از قانون وگارد و تقریب PBE-GGA در فاز بلند روی.................................................................................................................... 57(شکل 3-39): گافهای نواری به ازای غلظتهای مختلف x برای آلیاژهای BPxSb1-x با استفاده از قانون وگارد و تقریب EV-GGA در فاز بلند روی ..................................................................................................................... 57(شکل 3-40): مقایسه گاف نوار انرژی محاسبه شده با استفاده از اختلاف الکترونگاتیوی، مقادیر برازش داده شده با معادله درجه دوم و مقادیر محاسباتی برای آلیاژهای BPxSb1-x در فاز بلند روی و با استفاده از تقریب PBE-GGA ................................................................................................................................................................... 58(شکل 3-41): مقایسه گاف نوار انرژی محاسبه شده با استفاده از اختلاف الکترونگاتیوی، مقادیر برازش داده شده با معادله درجه دوم و مقادیر محاسباتی برای آلیاژهای BPxSb1-x در فاز بلند روی و با استفاده از تقریب EV-GGA ................................................................................................................................................................... 58(شکل 3-42):چگالی حالتهای کلی و جزئی ترکیب BP0.25Sb0.75 درفاز بلند روی (ZB) با تقریب PBE-GGA......................................................................................................................................................................59(شکل 3-43):چگالی حالتهای کلی و جزئی ترکیب BP0.5Sb0.5 درفاز بلند روی (ZB) با تقریب PBE-GGA......................................................................................................................................................................60(شکل 3-44):چگالی حالتهای کلی و جزئی ترکیب BP0.75Sb0.25 درفاز بلند روی (ZB) با تقریب PBE-GGA......................................................................................................................................................................61(شکل 4-1): نمودار بر حسب انرژی در دو مقدار متفاوت kpoint برای ترکیب BSb در فاز بلند روی .............................................................................................................................................................................. 63(شکل 4-2): نمودار بر حسب انرژی در دو مقدار متفاوت kpoint برای ترکیب BP0.25Sb0.75 در فاز بلند روی ...................................................................................................................................................................... 63(شکل 4-3): بخش حقیقی تابع دی الکتریک آلیاژهای BPxSb1-x در فاز بلند روی .............................................66(شکل 4-4): بخش موهومی تابع دی الکتریک آلیاژهای BPxSb1-xدر فاز بلند روی ..........................................68(شکل 4-5): نمودار ضریب شکست آلیاژهای BPxSb1-xدر فاز بلند روی.........................................................70(شکل 4-6): نمودار ضریب خاموشی آلیاژهای BPxSb1-xدر فاز بلند روی.......................................................72(شکل 4-7): مقایسه مقادیر ضریب شکست آلیاژهای BPxSb1-x با استفاده ازروشهای Vandamme ،Ravindra، Moss و FP-LAPW در فاز بلند رویو تقریبPBE-GGA............................................................................. 74(شکل 4-8): مقایسه قسمت حقیقی تابع دی الکتریک آلیاژهای BPxSb1-x با استفاده ازروشهای Vandamme ،Ravindra، Moss و FP-LAPW در فاز بلند رویو تقریبPBE-GGA.......................................................... 75(شکل 4-9): تابع اتلاف انرژی آلیاژهای BPxSb1-xدر فاز بلند روی...................................................................77(شکل 4-10): ضریب بازتاب آلیاژهای BPxSb1-xدر فاز بلند روی...................................................................79(شکل 4-11): طیف ضریب جذب آلیاژهای BPxSb1-xدر فاز بلند روی.........................................................80چکیده در این مطالعه با بکارگیری روش FP-LAPW و در چارچوب نظریه تابعی چگالی خواص ساختاری، الکترونی و اپتیکی آلیاژهای BPxSb1-x در غلظتهای (1 ،75/0 ،5/0 ،25/0 ،0=x ) بررسی شده است. در گام نخست خواص ساختاری شامل پارامتر شبکه تعادلی، مدول حجمی و مشتق مدول حجمی برای ترکیبات دوتایی در فازهای نمک طعام، بلند روی، ورتزیت محاسبه شده است. سپس مقادیر ثابت شبکه و مدول حجمی به ازای غلظتهای مختلف محاسبه و نتایج حاصل از قانون وگارد مقایسه شده است. در مرحله بعد، خواص الکترونی شامل ساختار نوار انرژی و چگالی حالتها (DOS) بررسی شد. محاسبات ساختار نواری نشان میدهد که ترکیبهای BSb و BP در فازهای بلند روی و ورتزیت خاصیت نیمهرسانایی دارند در صورتی که این ترکیبات در فاز نمک طعام از خاصیت فلزی برخوردارند. همچنین گاف نوار انرژی برای آلیاژهای BPxSb1-x در فاز بلندروی با دو روش PBE-GGA و EV-GGA برآورده شده است. محاسبات مربوط به چگالی حالتها برای آلیاژهای BPxSb1-x نشان میدهد که سهم عمده چگالی حالتها در زیر سطح فرمی مربوط به اوربیتالهای p اتمهای (B)، (P) و (Sb) میباشد. در گام بعدی خواص اپتیکی این ترکیبات شامل بخشهای حقیقی و موهومی تابع دی الکتریک، تابع اتلاف انرژی، ضرایب شکست، بازتاب، جذب و خاموشی محاسبه و مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. محاسبات نشان میدهد که سهم اصلی در گذارهای اپتیکی BSb در فاز بلند روی ناشی از اوربیتال p اتمهای (B) و (Sb) به عنوان حالت اولیه و اوربیتالهای s و p اتم (B) به عنوان حالتهای نهایی و در مورد اتم BP ناشی از اوربیتال p اتمهای (B) و (P) به عنوان حالت اولیه و اوربیتالهای s و p اتمهای (B) و (P) به عنوان حالت نهایی میباشد. به کمک نمودار قسمت موهومی تابع دی الکتریک مشخص شد که جذب آلیاژهای BPxSb1-x در فاز بلندروی به ترتیب غلظت از انرژیهای 32/1، 62/1، 49/1، 89/0 و 78/1 الکترون ولت آغاز شده است که برابر آستانه گذار بین نواری میباشند. پیک اصلی طیف تابع اتلاف انرژی (فرکانس پلاسما) برای آلیاژهای BPxSb1-xبه ازای (1و 75/0 ،5/0 ،25/0 ،0 = x ) در فاز بلند روی به ترتیب در نقاط 74/22 و 96/20، 91/19، 03/19، 21/18 الکترون ولت قرار دارد. همچنین مقادیر ضریب شکست آلیاژهای BPxSb1-xدر فرکانس صفر که یکی از پارامترهای مهم اپتیکی است، علاوه بر روش FP-LAPW با استفاده از روشهای Moss، Ravindra، Vandamme در فاز بلند روی محاسبه شد. در پایان نیز مقادیر ضریب جذب، خاموشی و بازتاب برای آلیاژهای BPxSb1-x محاسبه شد. کلید واژه: نظریه تابعی چگالی، روش FP-LAPW، خواص ساختاری، خواص الکترونی، خواص اپتیکی فصل اولمعرفی ساختار، خواص و کاربردهای ترکیبات BP و BSb 1-1- مقدمه معمولاً درک پدیدههای حالت جامد بسیار دشوار است و نیاز به سادهسازی مسائل تا حد ممکن دارد. این نیاز موجب شد تا دانش پژوهان به مطالعه فلزات خالص، آلیاژهای ساده و یا ترکیبهای مشخص بپردازند. از سوی دیگر مهندسان یا دانش پژوهان علم مواد که تمایل به کاربرد پدیدههای حالت جامد دارند، به ندرت از عناصر خالص، به همان صورتی که در طبیعت وجود دارند، استفاده میکنند، بلکه با طراحی و یا با آزمون و خطا موادی میسازند که از نظر کاربردی و قیمت تمام شده نیاز آنها را برآورده سازند.این دو فرایند را در یک نمودار ساده نمایش میدهیم. پدیده های حالت جامد استفاده علمی شناخت بنیادیمواد ساده عناصر خالصموادکاربردی آلیاژهای پیچیده کاربردیآلیاژهای پیچیده پیشرفت پیشرفت در هر یک از این دو شاخه، به دنبال شناخت متقابل هدف و مبادله اطلاعات بین پژوهشگرانی که اصولاً با مسائل بنیادی درگیرند و آنها که با موارد استفاده علمی سر و کار دارند، بدست آمده است.به این منظور بر آن شدیم در این فصل ابتدا به معرفی ترکیبهای ساده BP و BSb بپردازیم و ویژگیهای ساختاری و الکترونی را بر مبنای نتایج نظری و تجربی موجود بررسی کرده و سپس به مطالعه آلیاژهای BPxSb1-x پرداخته، ساختار و ویژگیهای کلی آنها را بیان میکنیم.1-2- معرفی نیمرساناهااجسام از لحاظ عبور یا عدم عبور الکتریسته به دو دسته رسانا و عایق تقسیم میشوند اما گروه دیگری از اجسام نیز وجود دارند که نه به طور کامل رسانا و نه به طور کامل نارسانا هستند. این گروه خاص از اجسام را نیمهرسانا مینامند. هدایت الکتریکی نیمهرساناها تحت تاثیر عواملی چون تغییر میزان ناخالصی، تحریکات نوری و افزایش دما به شدت تغییر مینماید. این خاصیت مهم مبنای کار بسیاری از قطعات نیمهرسانا است که درصنعت الکترونیک به کار گرفته میشود.اجسام نیمهرسانا نیز مانند نارساناها دارای نوارهای پر و خالی هستند و نوار بخشی پر ندارند با این تفاوت که گاف انرژی بین بالاترین نوار پر و پائینترین نوار خالی بسیار کوچکتر از این گاف در نارساناها است .موادی که در کاربردهای الکترونیکی نیمهرساناها مورد استفاده قرار گرفتهاند شامل اکثر عناصر جدول تناوبی میباشند. گرچه معروفترین عناصر خالص که به عنوان نیمه رسانا شناخته شدهاند مانند سیلیکون، کربن و ژرمانیوم را میتوان در گروه IV یافت، اما متداول ترین عناصری که در دستگاههای میکروالکترونیک مورد استفاده قرار گرفتهاند و تشکیل مواد نیمهرسانا می دهند از گروههای III و V جدول تناوبی هستند.1-3- کاربرد نیم رساناهاوسایلی از قبیل ترانزیستورها، یکسوسازها (دیودها)، مدوله کنندهها، آشکارسازها، باتریهای خورشیدی و ... براساس ویژگیهای نیمهرساناها کار میکنند. همچنین خواص نیمهرسانا، این مواد را در ساخت لیزرهای نیمهرسانا ممتاز میکند. همچنین ظهور نیمه رساناها در علم الکترونیک انقلاب عظیمی را در این علم ایجاد کرده که اختراع رایانه یکی از دستاوردهای این انقلاب است.ترانزیستور از پرکاربردترین و اصلیترین عناصر در مدارات الکترونیکی و مجتمع میباشد. اگر نوع pرا با نوع n و دوباره با نوع p پیوند دهیم، عنصر به دست آمده ترانزیستور p n p نام خواهد داشت. برعکس اگر اگر نوع n را با نوع pو دوباره با نوع n پیوند دهیم، عنصر به دست آمده ترانزیستور n p n نام خواهد داشت که بیشتر از ترانزیستور p n p در صنعت کاربرد دارد.باتری خورشیدی که از نیمهرسانا ساخته میشود، یک قطعه الکترونیکی است که انرژی خورشیدی را مستقیماً توسط اثر فوتوالکتریک به الکتریسته تبدیل میکند. از دیگر کاربردهای نیمهرسانا ساخت دیود است. دیود قطعه الکترونیکی است که از پیوند نیمهرسانای نوع n با نوع p بدست میآید که خاصیت یکسوسازی آن بیشترین کاربرد را در الکترونیک دارد. در دیود هیچ تفاوتی بین اینکه نوع pرا با نوع nپیوند دهیم یا نوع nرا با نوع p پیوند دهیم وجود ندارد و در هر صورت عنصر بدست آمده دیود خواهد بود.1-4- بور (B)برای اولین باردر سال 1808 دیوی، گیلوساک و تنارد ]1[ توانستند بور را از ترکیباتش بدستآورند. پس از آن در سال 1892 مواسان توانست نمونهای از بور با خلوص 95 تا 98 درصد را به کمک منیزیم تهیه کند و تنها چندی قبل بود که با استفاده ازروش های نوین بور بسیار خالص با خلوص 99/99 درصد به بالا بدست آمد.بور اولین عنصرگروه سوم است که دارای عدد اتمی 5 می باشد. این عنصر نیمهرسانا بوده و خاصیتشیمیایی آن با هم گروهیهای خود بسیار متفاوت است. نخستین انرژی یونیزاسیونبور نسبتاً بالا بوده، دومین و سومین انرژی یونیزاسیون بسیار بالاست،بنابراین انرژی لازم برای تشکیل یون بور سه مثبت بسیار بیشتر از آن است کهتوسط انرژی شبکه تأمین گردد.در نتیجه شیمی بور کاملاً کووالانسی بوده و از دست دادن الکترون در آن نقشی ندارد. ترکیباتبور بیشتر از آن که شبیه ترکیبات سایر عناصر هم گروهی خود باشد شبیه بهترکیبات کربن و سیلیسیم است. بور ترکیباتنسبتاً پایداری با عناصر اکسیژن، نیتروژن و بیشتر فلزات تشکیل میدهد و به همیندلیل است که تهیه بور خالص با دشواری همراه است.بور یکنیمه رساناست و از لحاظ شیمیایی میتوان آن را در دسته غیرفلزها طبقه بندینمود. همانطور که گفته شد شیمی بور با شیمی سایر اعضاء هم گروهی خود متفاوتبوده و بیشتر به شیمی سیلیسیم شباهت دارد.بور فراوانیزیادی در طبیعت ندارد، معدنهای عمده رسوبات بور بیشتر در مناطق آتشفشانی وچشمههای آب گرم قرار دارند. با این توصیف انتظار میرود که در ایران دردامنههای دماوند و سبلان و در رشته کوههای البرز و زاگرس معادن بورناشناخته زیادی وجود داشته باشد.بور با خلوص 95 تا 98 درصد را میتوان توسط گرمایش پودرMgبا B2O3بدست آورد.محصول بدست آمده را ابتدا با قلیا و بعد با اسید کلریدریک و در نهایت با اسیدفلوئوریدریک به شدت میشویند. این بور به دست آمده بی شکل، به صورتپودر تیره رنگ بوده و ممکن است بلورهای بسیار ریز بور در آن یافت شود. البته مقداری اکسید و بورید نیز در آن وجود دارد.بور طبیعی دارایدو ایزوتوپ 10B با فراوانی 6/19% و 11B با فراوانی 4/80% است و همچنیندو آلوتروپ از آن بسیار شناخته شدهتر هستند.ترکیبهایی ازبور برای درمان درد مفاصل به کار می رود. هم چنین چون بورهیدریدها به آسانیاکسید شده و انرژی زیادی آزاد می کنند از آنها گاهی بهعنوان سوخت موشکاستفاده میشود.ترکیبهای بوردر لعاب دادن و میناکاری ظروف چینی به کار میروند. همچنین در تهیه کودها وعلف کشها، در دباغی چرم (قهوهای کردن چرم)، کنترل خوردگی، ابزارهایردیابی نوترون، به عنوان محافظ در برابر تابشهای هسته ای، در پاک کنندهها، صابونها، شویندهها و مواد آرایشی کاربرد بسیار وسیعی دارند.1-5- ترکیبات بورترکیبات بور خانوادهای از ترکیبات به شکلBX(X=N, P, As, Sb)را تشکیل میدهند، بطوری که X یکی از عناصر گروه V جدول تناوبی میباشد. این ترکیبات متعلق به خانوادهای هستند که خواص مشابهی از خود نشان میدهند، اما به تدریج این خواص با افزایش عدد اتمی اتمها تغییر می یابند. به عنوان مثال همگی آنها دارای ساختار بلورین بلند روی (ZB) با مختصات تتراهدرال میباشند، دارای هیبریداسیون هستند و ساختار الکترونی مشابهی دارند.ترکیبات بور به دلیل خواص منحصر به فرد و متفاوت با دیگر ترکیبات گروه III-V در سالهای اخیر به عنوان نیمهرساناهای با گاف انرژی بالا، مورد توجه خاص پژوهشگران قرار گرفتهاند. هدایت گرمایی بالا، چگالی پایین و گاف انرژی عریض از مشخصههای بارز این ترکیبات به شمار میروند که موجب کاربرد وسیع این ترکیبات در صنایع الکترونیک واپتوالکترونیک شدهاند.ترکیبات دوتایی و همچنین سهتایی و چهارتایی نیمه رساناها برای کاربردهای ویژهای استفاده میشوند، بنابراین بیشتر نیمهرساناها شامل آلیاژهایی با سه عنصر یا بیشتر میباشند. در گروه III-V ترکیبات BN، BSb، BP و BAs از جمله نیمهرساناهایی هستند که دارای ویژگیهای فیزیکی و اپتیکی سودمندی هستند. نتایج تجربی نشان میدهند که نیمهرساناهای BN، BSb، BP و BAsدر فاز تعادلی بلند روی(ZB) قرار دارند. همچنین چگالی حالتها و چگالی ابرالکترونی BSb و BP در فاز مکعبی (ZB) بررسی شده است و نتایج بدست آمده وجود یک گاف انرژی غیرمستقیم را در این فاز برای این ترکیبات نشان میدهد که دلیلی بر نیمهرسانا بودن آنها است.1-6- بررسی مطالعات تجربی و نظری ترکیبات BP و BSbنیمرساناهای گروه II-IVو III-V از جمله نیمرساناهای گاف پهن هستند که ویژگی این ترکیبات و آلیاژهای آنها از دههی 70 میلادی به بعد مورد بررسی قرار گرفت. نیمرساناها با پهنای گاف انرژی زیاد برای ساخت دیودها و لیزرهای با نوردهی در ناحیه بنفش، آبی و سبز و نیز کارایی آنها در الکترونیک دمای بالا، همواره مورد توجه پژوهشگران بوده است. به ویژه نیمرساناهای گروه III-Vبرای توسعه قطعات اپتوالکترونیکی آبی/فرابنفش توجه زیادی را به خود جلب کردهاند، که این مهم به دلیل موفقیتهای تاکامورا و همکارانش ]2[ در ساخت چشمههای لیزر نیمرسانای آبی است.نیمرساناهای BSb و BP از جمله نیمرساناهایی هستند که دارای ویژگیهای فیزیکی و اپتیکی سودمندی هستند. نیمرساناهایی مانند BSb، BP، BAs و... بیش از هشتاد درصد بازار نیمرساناهای ترکیبی را در اختیار دارند، لذا پروژههای تحقیقاتی فراوانی در این زمینه انجام گرفته است. یکی از اهداف مهم در پروژههای تحقیقاتی رسیدن به بازده نوری بالا به منظور جایگزینی دستگاههای نوری فعلی با نسل جدید منابع نوری بر پایهی LED میباشد. هر چند رشد ترکیبات BSb و BP به دلیل متفاوت بودن پارامترهای شبکه، مشکل است و هنوز نمونه رضایت بخشی از آن ارائه نشده است، ولی این ساختارها از دیدگاههای مختلف نظری مورد مطالعه است که نتایج حاصله میتواند برای پژوهشگرانی که در زمینهی رشد این گروه از نیمرساناها فعالیت دارند، مفید باشد.همچنین زونگر و همکارانش ]3[ به مطالعه و بررسی خواص ساختاری و الکترونی و ترمودینامیکی آلیاژهای BNxSb1-x ، BPxSb1-xوBAsxSb1-xپرداختهاند.اخیراً نیز اکبرزاده وهمکارانش ]4[ خواص ترمودینامیکی و الکترونیکی عناصرBP و BAs را مورد بررسی قرار دادهاند. آنها اثرتغییرناخالصی را با تغییر عدد xبر روی مقادیر ثابت شبکه، مدول حجمی و گاف نواری مورد بررسی قراردادهاند.شکلهای (1-1) و (1-2) به ترتیب نمودارهای مقایسهی مقادیر ثابت شبکه و مدول حجمی آلیاژهایBNxP1-x و BNxAs1-x که توسط اکبرزاده و همکارانش محاسبه شده، نشان داده شده است.