在通过金属有机化学气相沉积和化学液相传输制备AlN的过程中，不可避免地会存在缺陷（VAl/VN）和无意杂质（C/O/Si/Hi）。特别是，在真空环境中很难消除Hi。
有鉴于此，内蒙古工业大学侯清玉等人运用第一原理估算研究了AlN及其含缺陷系统的机械性能、热导率和光学性能。
计算方式与模型
图1. 未参杂AlN的总能量与截断能量的曲线
本文使用的软件为MS8.0（），并采用了密度泛函理论框架下的广义梯度近似方式，选择的泛函是–Burke–（PBE）。
图1是收敛测试后的截断能量为350eV。布里渊区的k点为3×3×2，能量收敛标准为5.0×10-6eV/atom，力收敛标准为0.01eV/，内部挠度不小于0.02GPa，公差误差为5.0×10-4 。
用于建立赝势的价电子构象为Al-、N-、H-1s1、C-、O-和Si-。
图2. 声子色散普
图3. 模型结构
本文选择的结构为AlN的纤锌矿结构，空间群为P63mc。为了确保基本结构的动态稳定性，计算了未参杂AlN的声子色散谱。
图2显示声子色散中没有虚频，表明AlN具有动态稳定性。然后，在AlN上进行3×3×2超胞，如图3（a）所示，A位的Al原子（0.555、0.444和0.749）被C、O和Si原子替代；如图3（B）所示，B位的N原子（0.444、0.555和0.690）被C、O和Si原子替代，A位的Al空位与H原子（0.656、0.338和0.617）共存。、、（M=C/O/Si）和（M=C/O/Si）体系的杂质含量均为1.38%，结构的杂质含量为2.77%。
结果与讨论
图4. 态密度图
为了阐述点缺陷对AlN热学性能影响的内在缘由，并了解原子间的键合特点，对态密度（DOS）进行剖析。AlN的导带主要由Al3p态组成，价带主要由N2p态组成，具体如图4（a）所示。
系统的DOS的形状与未参杂结构的DOS的形状十分接近，表明本征点缺陷几乎没有改变AlN的基态结构。然而，图4（b）–（i）显示，当参杂不同的外来元素时，所有系统的DOS都发生了变化，即所有体系都有两个键合峰。第一个坐落-6–0 eV处，由Al的3s和3p态与N的2p态的电子介孔产生。第二个(-16至-12eV）是由Al 3s和3p态与N 2s态的电子介孔产生的。
上述结果表明，Al和N之间存在共价键。反键峰坐落5eV左右，主要由Al的3p电子组成。受点缺陷影响，第一键峰变宽并增加了强度。此外，Al和N原子的轨道重叠稍为减缓，电子离域提高，共价键减小，从而增加强度。
图5. 电子密度分布图
为了更直观地观察电子在每位系统原子周围的分布并判定原子之间的相互作用，绘制了平行于含缺陷的（0 0 1）平面的电荷密度分布图，电荷密度范围为3.961×10-2至3.599 e -3。
红色代表更多的电荷集聚，而白色代表更少的电荷分布。如图5（a）所示，大多数电荷集中在N原子周围，因为N原子本身的最内层自由电子比Al原子的多，并且一些电子也从Al原子转移到N原子。并且电荷呈现局部化，原子之间的相互作用很强，使得AlN的强度更高。
图5（b）–（c）表明，由于VAl的存在，与其相邻N原子周围的电子局域性提高，而VAl会增加电子密度。因此，原子之间的离子键提高，共价键减慢。因此，和系统的强度大于AlN。
图5（d）–（f）表明，Si原子对相邻N原子的电子分布影响最小，而O原子对相邻氮原子的电子影响最大。因此，当M原子代替Al原子时，O原子对AlN强度的影响最大，其次是C原子，Si原子的影响最小。该结果与估算的强度一致（＞＞）。
图5（g）–（i）表明，当O原子代替N原子时，它对相邻N原子的电子分布的影响最小，而Si原子对相邻N的电子分布影响最大。因此，当M原子代替N原子时，Si原子对AlN强度的影响最大，其次是C原子，O原子的影响最小。该结果与估算的强度一致（＞＞）。
总之，缺陷的存在会影响AlN中电子的分布，使离子键更强，共价键较弱，从而减少AlN的强度。
图6. 复介电函数
和含杂质系统的介电函数的实部和虚部如图6所示6，介电函数实部的纵座标值为相应的介电常数，无入射光情况下的值为静态介电常数。当介电常数较大时，系统对应禁锢电荷的能力和极化能力更强。
、、、、、、、和系统的静态介电常数分别为1.96、3.51、3.05、2.36、2.04、2.73、5.36、22.42和2.13。所有含杂质系统的静态介电常数均小于纯，表明杂质的存在有助于降低静态介电率，从而提升系统的极化率。
在所有系统中，的静态介电常数最大，表明其具有最强的电荷结合能力和极化率，并且结构的光生电场强度变大，这有利于光生电子-空穴对的迁移和分离。当Si杂质步入中的Al位置时，它对的结合电荷能力和极化能力影响最大。
含杂质系统的介电函数的实部曲线与纯的主要差别在0–5eV范围内，并且在能量小于5eV后，该曲线没有变化。和系统的介电函数的实部在2.4–5.0 eV的范围内大于0，即光不能在此能量范围内传播。
图7. 复折射率
如图7所示，复折射率的实部是折射率，虚部是消光系数。折射率曲线表示在相应能量的光子照射下晶体的宏观折射率。当光子能量为0eV时，纯的静态折射率为1.40。含杂质系统、、、、、、和在光子能量为0 eV时的静态折射系数分别为1.87、1.75、1.53、1.43、1.65、2.31、4.74和1.46。杂质都不同程度地提升了纯AlN的折射率，其中体系的折射率最大。
这一结果与介电常数的结果一致。与纯AlN相比，含杂质系统的折射率在0–7eV范围内变化很大。消光系数反映了晶体在相应光子能量下对入射光的吸收。
图7（b）显示，与纯相比，所有含杂质系统的消光系数都移到了较低的能量区域，并且所有含杂质的系统在0–5 eV范围内都有一个新的峰值。和系统在0–5 eV范围内的峰小于五老峰的最大峰。
纯的消光系数的最大峰值为1.50，杂质系统、、、、、、和的最大峰值分别为1.44、1.43、1.49、1.49，1.40、1.82、4.29和1.47。表明Si杂质对的消光系数影响最大。
图8. 吸收谱
当入射光的震动频度与物质中原子的震动频度一致时，发生共振吸收。此时，入射光的能量被强烈吸收，使得电子从低基态到高能级吸收光子。图8显示了所有系统在深紫外区域都有很强的光吸收，表明AlN特别适宜作为深紫外探测器。所有含杂质系统的吸收波谱都向更长的波长方向联通，显示出不同程度的红移。
在可见光范围内，具有最佳的光吸收和最高的可见光利用率。所有含杂质体系的最强吸收峰的位置与纯在约130nm波长处的吸收峰相同。与纯相比，除和体系外，其他体系的最强吸收峰均增加。总之，杂质的存在增强了AlN的光吸收率，因为它改变了AlN电子结构，从而降低了AlN在可见光波段的吸收率。
图9. 反射率分布
反射率是当入射光撞击晶体时光的色散是折射吗光的色散是折射吗，晶体表面反射光的硬度与入射光的硬度之比。反射率的大小与许多诱因有关（入射光的角度、强度、波长和材料表面的特点），而相应的反射率如图9所示。
当光子能量为0时，纯的反射率为0.03，、、、、、、和的反射率值分别为0.09、0.07、0.04、0.04、0.06、0.16、0.42、0.04，即杂质在不同程度上提高了的反射率。在0–6 eV的范围内，与纯相比，、、、、和系统的反射显著提高。
所有系统都具有7–15 eV范围内的两个反射峰。与纯相比，除和体系外，所有体系的反射峰都有不同程度的减少。这一结果与吸收波谱剖析一致，即若果一种材料在某一波段具有较高的光吸收率，则相应的反射率也较高。
图10. 能量损失函数
能量损失函数是描述电子快速通过材料时能量损失的重要诱因。图10显示了和含杂质系统的能量损失函数。在0–5 eV的范围内，每个系统的能量损失略有不同。对于所有系统，在12–15 eV的范围内都出现了强能量损失函数峰值。与纯相比，除和系统外，含杂质系统的能量损失增加。
结论展望
结果表明，和体系的抗变型能力较差，硬度较小。当杂质C或O坐落N位置时，对AlN各向异性的影响相对较大。O杂质和Al空位对AlN晶格的热导率有较大影响。当O杂质坐落N位置而Si杂质坐落Al位置时，对AlN的光学性质的影响相对较大，这些将有助于改善AlN的偏振光能力、折射率、反射率和可见光的吸收。
文献信息
Zhang Y, Hou Q. First- study on the of point on the , , and of AlN[J]. , 2022: .