[发明专利]一种模拟声子辅助光致发光谱的方法

说明书

本发明提供了一种模拟声子辅助光致发光谱的方法，涉及半导体材料的模拟技术技术领域，具体适用于固体材料，包括如下步骤：构建含有缺陷的晶胞模型，定义ABCD四种状态，同时计算基态系统位形状态A不同声子模式对应的声子基矢；通过杂化密度泛函自洽计算，获得各态势总能，构建位形图和ZPL能量；提取所述总能、声子基矢和原子质量，通过计算获得黄昆因子和光谱数据，将其导入绘图软件，得到光致发光谱。本发明所述的计算方法实现对固体材料声子辅助光致发光性质的精确模拟计算。

技术领域

本发明涉及半导体材料的模拟技术技术领域，具体而言，涉及一种模拟声子辅助光致发光谱的方法。

背景技术

实际制备的半导体器件往往具有缺陷结构，具有光学活性和磁性活性的点缺陷是发展单光子源和量子比特等新一代光量子器件的重要物质基础。通过测量它们的光致发光谱，可以得到体系激发能和电子-晶格振动相互作用的相关性质。其中，杂质中心的存在，为光跃迁提供了局域化的电子态，对应的辐射复合过程可以被缺陷工程所调控，为单光子源的构建提供了理论支撑。试验上的光致发光谱往往包含多个物理过程，包括本征复合发光、激子复合发光和声子辅助发光等，在同一激发波长下，在不同波段产生响应，反映出不同物理过程的谐振能量不同。声子辅助发光对应的物理过程为：在点缺陷处发生辐射复合，能量转移到晶格振动，产生多个量子化的声子模式，这在光致发光谱中体现为比缺陷发光峰能量更低的声子辅助发光峰组。由于该过程是量子中继的基本物理过程之一，因此准确模拟并评估材料的声子辅助光致发光性质，对于光量子器件的开发具有重要意义。

当前计算光致发光谱的理论方法对于计算固体材料的光致发光性质具有一定的局限性：首先，当前成熟的光致发光计算模块大多数基于分子体系，基于局域轨道的跃迁进行模拟，然而固体材料的价带电子分布大多是离域的；其次，计算模块得到的是本征发光峰，无法预测本征发光峰能量以下的光致发光现象，并且本征发光的物理过程和缺陷相关的声子辅助光致发光的理论存在很大差别；再次，固体电子性质往往采用密度泛函理论进行预测，但是密度泛函理论计算得到的电子性质为基态电子性质，对于固体的激发态性质预测仍然存在困难。因此，急需发展一种模拟固体材料声子辅助光致发光性质的计算方法，旨在以第一性原理计算得到的电子性质和声子性质为基础，模拟并评估不同材料、不同类型缺陷的光致发光性质。

发明内容

本发明解决的问题是如何获得更准确的模拟固体材料声子辅助光致发光性质的计算方法。

为解决上述问题，本发明提供一种模拟声子辅助光致发光谱的方法，适用于固体材料，包括如下步骤：

步骤S1：构建正交结构的晶格模型，对所述晶格模型中的原子位置进行优化，使原子处于初始状态；

步骤S2：在所述晶格模型中构建缺陷，得到含有所述缺陷的晶胞模型，经结构优化后，获得基态系统位形状态A；

步骤S3：重新排布基态系统位形状态A的电子分布，考虑自旋，将单一K点的电子从价带顶转移到对应位置的导带底，提取基态电子布居数，此时系统处于激发态系统位形状态D，对激发态系统位形状态D进行结构优化，得到激发态系统位形状态C，系统从激发态系统位形状态C激发态跃迁到基态，得到基态系统位形状态B，经过结构弛豫，回复到基态系统位形状态A；同时计算基态系统位形状态A不同声子模式对应的声子基矢；

步骤S4：通过杂化密度泛函的自洽计算，获得基态系统位形状态A、基态系统位形状态B、激发态系统位形状态C和激发态系统位形状态D的总能，构建位形图和ZPL能量E_ZPL；

步骤S5：在上述步骤中提取所述总能、声子基矢和原子质量，通过计算获得黄昆因子和光谱数据，将其导入绘图软件，得到光致发光谱。

进一步地，步骤S1中，所述对所述晶格模型中的原子位置进行优化，使原子处于初始状态，包括：

采用平面波近似对所述晶格模型中的原子位置进行优化，使每个所述原子的受力小于