氮化锗的多形体研究报道

背景及概述^[2]

ⅢA和ⅣA族元素的氮化物由于具有优异的力学性质和热力学性能，通常可以作为高温结构材料、催化剂、发光二极管和难熔陶瓷来使用。目前的实验和理论研究都主要集中在BN和Si₃N₄材料上，关于氮化锗（Ge₃N₄）的研究相对较少。实际上，因为Ge原子比Si原子的载流子迁移率高，所以用锗制造的半导体场效应管具备更加优异的性能。锗原子的半径较大，因此Ge₃N₄发生相变的临界压强要低于Si₃N₄的相变压。氮化锗还具有耐腐蚀、硬度高、带隙可调节等优点，因此具有很大的应用前景。

多形体研究^[1-2]

仓玉萍等人采用量子化学从头算方法,对Ge₃N₄的四方、单斜和正交结构同质异相体的微结构、态密度和声子谱进行了研究。形成焓为负值、弹性常数满足Born稳定性准则和声子谱无虚频等结果证实在020GPa范围内3种相都能保持结构稳定。温度变化影响到晶胞体积,从而使体模量发生改变。3种Ge₃N₄都属于半导体,Ge原子和N原子之间存在明显的s-p杂化现象。当压强增大时诱发了离域电子,从而使体系的带隙减小。本研究还采用准谐近似对Ge₃N₄的热力学性质进行了研究,结果表明,温度和压强对热膨胀系数、熵、热容、德拜温度和格林爱森参数产生了明显影响。m-Ge₃N₄和t-Ge₃N₄的热膨胀系数分别为o-Ge₃N₄的3倍和2倍。t-Ge₃N₄和o-Ge₃N₄的晶格谐振频率基本不受温度的影响。

陈东等人采用原理框架下的平面波+赝势方法,对Ge₃N₄的三种新结构进行了计算。计算结果表明四方、单斜和正交结构的氮化锗满足力学和热力学稳定条件,都可以稳定存在。o-Ge₃N₄的抗剪切能力和硬度都是三者之中最高的。本文得到了三种相的声子谱,即介电函数、能量损失谱和光吸收谱;研究发现在可见光区域三相的吸收都很弱,主要呈现出紫外吸收特征。介电函数虚部的峰值是由N-2p轨道的电子向Ge-4s和4p轨道跃迁形成的。声子谱表现出N原子和Ge原子杂化的特征。

参考文献

[1]仓玉萍,陈东,杨帆,杨慧明。氮化锗多形体的四方、单斜和正交畸变的理论研究[J]。高等学校化学学报,2016,37(04):674-681。

[2]陈东,姚晓玲,杨帆,杨慧明。三种新型氮化锗材料的原理原子尺度研究[J]。信阳师范学院学报(自然科学版),2017,30(01):32-36。