半导体碲化铅PbTe_001_表面几何结构特性的分析

第34卷　第3期　2005年6月

表　面　技　术

SURFACE TECHN OLOG Y

V ol. 34　N O. 3Jun. 2005　

半导体碲化铅PbT e(001) 表面几何结构特性的分析

张秀欣, 赵海鹏, 米启伟, 张现周

1

1

1

2

(1. 平顶山工学院, 河南平顶山467000;2. 河南师范大学, 河南新乡453002)

　　[摘　要]　利用第一性原理方法, 计算了半导体铅盐PbT e 的体晶格常数, 并借助于S lab 模型, 对铅盐(001) 表面几何结构进行了计算与分析, 验证了PbT e (001) 表面不发生重构, 但发生明显的振荡弛豫和褶皱, 并分析了铅盐(001) 表面几何结构弛豫和褶皱的性质、特点和成因, 为有关铅盐及其表面的实验提供了有益的解释和预测, 为铅盐的广泛应用提供理论方面的参考数据。

[关键词]　半导体铅盐; 晶格常数; 表面几何结构; 弛豫和褶皱[中图分类号]:TN304. 2

　　　[文献标识码]B　　--0059-02

R esearch on the Structure

about PbTe (001) Surface

22pen , MI Qi 2wei , ZHANG Xian 2zhou

1. of T echnology , Pingdingshan 467000, China ;

Henan N ormal University , X inxiang 453002, China )

[Abstract ]Using the first principle method , the body lattice parameters of semiconductor lead salt PbT e was reckoned , the surface geometry structure of PbT e surface was calculated and analyzed by means of Slab m odel , no recon figuration but evident surge relaxation and rum pling appear on PbT e (001) surface were validated , and the prop 2erties , characteristics and formation of relaxation and rum pling about the surface geometry structure of PbT e (001) surface were infered. Helpful explanation and prediction for the experiments on lead salt and its surface and theoretical reference data for the abroad use of lead salts are provided.

[K ey w ords ]　Semiconductor lead salt ; Lattice parameters ; Surface geometry structure ; Relaxation and rum 2pling

0　引　言

半导体化合物PbT e 的面心结构是一种窄带隙半导体铅盐, 具有正的带隙温度系数, 载流子迁移率比较大, 在500～800℃有较高的热电转换效率, 是一种普遍使用的热电转换材料; 并且具有较大的静电介电常数。另外,PbT e 薄膜折射率高, 是红外光学薄膜的重要高折射率材料, 不仅如此, 铅盐搀杂后性能大大改善, 现已应用于许多领域。尤其在红外探测、光散射器件、光纤激光技术和太阳能技术方面具有广阔的应用前景。最近, 人们对铅盐的异质结、薄膜、量子线、量子点和量子阱及其应用的研究也比较感兴趣。相比之下, 对铅盐的表面结构的研究则相对较少。

最近人们对铅盐的表面结构进行了一些实验和理论方面的研究。K endelewicz 等[1]用X 射线驻波方法对铅盐表面的研究发现, 表面层的原子基本上未发生弛豫和重构现象;Lazarides 的低能电子散射实验[2]研究结果却表明:PbT e (001) 表面出现明显

的褶皱。Satta 等用密度泛函理论[3]计算了PbT e (001) 表面几何结构, 表明有褶皱和弛豫的现象。由此可见, PbT e (001) 表面几何结构计算结果和实验还有一定出入。基于此, 本文采用第一性原理方法对PbT e 的晶格参数等进行计算, 接着借助于

S lab 模型计算铅盐(001) 表面几何结构, 从理论上分析铅盐(001) 表面几何结构的性质、特点和弛豫、褶皱的成因。

1　铅盐PbT e(001) 面结构的分析研究

1. 1　晶格常数的计算

首先, 对面心立方的PbT e 的晶格参数进行计算。选择以包含一个Pb 原子和一个氧族元素原子的铅盐原胞为基本单元, 如图1所示。对铅盐的原胞进行结构优化, 晶格常数的初始值取在实验值附近, 见表1体系能量很快收敛, 达到平衡状态下的晶格常数, 其结果见表1。算得的PbT e 的晶格常数比Nimtz 和

[收稿日期]2005-03-29

[作者简介]张秀欣(1965-) , 女, 河南扶沟人, 硕士, 讲师, 从事物理、建筑物理专业的研究。

张秀欣等　半导体碲化铅PbT e (001) 表面几何结构特性的分析

Schlicht 实验测量值偏大一些; 与Lach 2Hab 等人用全势LAPW 方

法的计算值很符合[4]

。

图1　原胞模型

表1　铅盐的晶格常数a 0(nm )

铅盐

PbT e

图3　驰豫后铅盐(001) 表面原子结构示意图

到原子结构弛豫情况见表3(其中δ:ij 表示i 和j 层的间距δ, ij 前的

其它计算值

0. 6449

当前计算值

0. 6451

实验值

0. 6439

负号表示层间距减小,r i 前的负号表示原子向体内移动) 。

由表3可以得到:弛豫后表面第一、第二层间距

d 124. d 23的增大分别为

1. 2　铅盐PbT e(001) 表面几何结构的计算

面心立方结构铅盐PbT e (001) 面为其天然解理面。采用层晶模型模拟半无限大晶面, 即取体相铅盐的(001) L 的原子层, 两原子层之间所夹真空层厚度为H , 1. 82、第五层的间距的变化

, 不过幅度减小了。计组对PbT e (001) 表面的计算结果基本一致。可, 通过离子的这种作用使表面层原子向体内移动, 第二层原子向体外移动。表3也给出了弛豫后铅盐的表面褶皱情况。

表3　PbT e(001) 几何结构优化结果

与实验结果和计算结果的比较

铅盐

δ12

实验值

δ23

δ34

δ45

本文计算值-4. 311. 92-0. 310. 71

PbT e

-4. 022. 05

定L 、H 的值, 通过计算不同L 、H , >2a 0, H >2a 0, 说明

。, 我们取晶层厚度L =4a 0, 真空层厚度H =2a 0的层晶模型进行几何结构优化, 晶模型进行几何结构优化见图2a , 铅盐S lab 模型的L 和H 取值见表二。对铅盐体(001) 表面结构的计算是以上述S lab 模型的一个不可约单元为表面模型的超原胞, 它包含9层原子和一个相当于

4个原子层厚度的真空, 为了减少计算量, 我们将真空层对称地

r 1

r 2

r 3

r 4

3. 286. 95. 31

-1. 720. 007-0. 12

放置于原子层的两边, 使超原胞尽可能对称, 如图2b 所示

。

其它计算值-4. 112. 12-0. 151. 41

　　PbT e (001) 表面褶皱的形成原因:褶皱是由于同一层内阴阳离子偏离方向或偏高幅度不一致造成的。对PbT e (001) 表面Pb 原子偏离理想晶格位置达0. 016nm (计算值) , 与Pb 原子相比T e 原子的移动很小(0. 0016nm ) 可以忽略, 可见PbT e (001) 表面的弛豫和褶皱主要是由铅原子的移动引起的; 由于Pb 2+的半径比T e 2-的半径小,Pb 2Pb 原子之间的静电斥力要比T e 2T e 原子之间的静电斥力小, 所以在垂直于表面方向上表面附近的T e 原子所构成的子晶格表现出微弱的膨胀,Pb 原子所构成的子晶

a 层晶模型原子结构示意图　b 层晶原胞模型

格表现出一定的收缩。

图2　层晶模型的几何结构优化表2　铅盐模型的L 和H 取值

铅盐

PbS

2　结论与分析

真空层厚度H /nm

1. 2798

晶格常数a 0

0. 6450

晶层厚度L /nm

2. 5696

经过弛豫, 铅盐PbT e 表面的几何结构有一定的变化, PbT e

(001) 表面不发生重构, 但发生明显的振荡弛豫和褶皱, 表面第

　　首先对半导体铅盐(001) 表面的原子结构进行优化, 让层晶模型的原子进行弛豫, 以消除加在表面层原子上不平衡的原子力, 进而得到弛豫后表面的原子结构。经过弛豫, 表面原子的相对位置关系的确发生了变化, 原子结构变化示意图如图3。由优化后的层晶模型可以看到PbT e 铅盐(001) 表面的原子不发生重构, 但表面原子有明显的振荡弛豫现象:表面第一、第二层原子间距缩小, 而第二、第三层原子间距增加。PbT e (001) 表面层原子的褶皱情况是Pb 原子下陷。

为了定量描述铅盐(001) 表面的几何结构弛豫,

通过计算得

一、第二层间距减小, 第二、第三层间距增加, 呈振荡衰减趋势;

PbT e (001) 表面的褶皱比较明显, 在奇数层Pb 下沉, 在偶数层Pb 原子上凸, 最后接近体结构。

铅盐PbT e 表面的几何结构的研究, 在有关的资料中, 从理论计算和实验研究中都显示出一定的结论, 本文利用第一性原理计算分析得到的理论结果, 验证了PbT e (001) 表面的弛豫和褶皱, 为有关铅盐及其表面的实验提供了有益的解释和预测, 使

(下转第64页)

陈新等　材料表面处理对心内式血泵的生物相容性改善

而对于采用纤连蛋白处理过的表面, 血小板完全不附着, 有较多的纤维蛋白附着, 容易形成表面内皮化, 使其组织相容性好, 适合用来处理血泵与组织接触的外表面。

表面涂层处理是改善材料生物相容性的有效手段。低压化

学气相沉淀法(C VD ) 形成的金刚石薄膜具有均匀平整的表面, 耐摩擦抗腐蚀, 高生物兼容性和低细胞粘附性, 很容易在许多基质上放置, 是血泵进行表面处理的较好的生物材料。但是, 对于微型轴流血泵, 由于存在螺旋式叶轮, 使内部结构表面非常复杂。在这种复杂的表面, 沉积完全一致的涂层非常困难, 而且成本很高

[18～22]

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。

血泵材料表面内皮化是改善血泵材料血液相容性和组织相容性的最佳方法。但是, 该项技术还存在一定的问题需要进一步研究, 目前应用于表面处理还不成熟。

4　结　论

从以上分析可以知道, , 内式血泵时, 量。, 是由于血泵体积小、内部结构复杂, 适合采取表面活性药物处理, 以改善血泵的血液相容性和生物组织相容性。由于血泵内外分别接触流动的血液和各种心内组织, 在用活性药物处理血泵表面时, 应该分别采用对血液和组织不同反应的药物来处理, 采用r 2水蛭素处理血泵材料与血液接触的表面, 用纤连蛋白处理血泵与组织接触的表面, 这样能较好地解决血泵的生物相容性问题。

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(上接第60页)

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