能調(diào)節(jié)能帶結(jié)構(gòu)的方法(能帶結(jié)構(gòu)的程序)

1.能帶結(jié)構(gòu)的程序

計(jì)算材料的能帶結(jié)構(gòu)即色散曲線E(k)，步驟為（并以計(jì)算fcc結(jié)構(gòu)Al的能帶結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行說明）：

* 根據(jù)特殊k點(diǎn)的走向，選取特殊k點(diǎn)及特殊k點(diǎn)間的分割點(diǎn)數(shù)，準(zhǔn)備好產(chǎn)生k點(diǎn)的輸入文件syml

6 ！特殊k點(diǎn)的個(gè)數(shù)

20 20 20 10 20 ！特殊k點(diǎn)間的分割點(diǎn)數(shù)

X 0.5 0.0 0.5 ！特殊k點(diǎn)的坐標(biāo)，相對(duì)于倒格子矢量

G 0.0 0.0 0.0

L 0.5 0.5 0.5

W 0.5 0.25 0.75

K 0.375 0.375 0.75

G 0.0 0.0 0.0 ！下面三行，前三列是正格子基矢，后三列是倒格子基矢

0.000000000 1.987500000 1.987500000 -0.251572327 0.251572327 0.251572327

1.987500000 0.000000000 1.987500000 0.251572327 -0.251572327 0.251572327

1.987500000 1.987500000 0.000000000 0.251572327 0.251572327 -0.251572327

-20.0 15.0 ！在畫能帶結(jié)構(gòu)時(shí)，每個(gè)特殊k點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的豎線的能量范圍

7.068339 ！費(fèi)米能級(jí)

* 用程序gk.x產(chǎn)生k點(diǎn)，得到KPOINTS文件。

注釋：程序gk.x是由gk.f文件編譯后得到的目標(biāo)文件，其輸入文件為syml，輸出文件為KPOINTS, inp.kpt。

* 緊接著利用前面計(jì)算得到的自洽電荷密度作一次非自洽的計(jì)算。

采用命令解壓保存的電荷密度文件chg.tgz:tar xzvf chg.tgz

另外設(shè)置ISTART=1, ICHARG=11， 并增加NBANDS的值，ISMEAR采用默認(rèn)值

SYSTEM = Al-fcc

ENCUT = 250

ISTART = 1; ICHARG = 11

#ISMEAR = -5

NBANDS = 12

PREC = Accurate

計(jì)算完后得到本征值文件EIGENVAL。

注意：對(duì)于4.4系列版本，在計(jì)算能帶結(jié)構(gòu)時(shí)設(shè)置NBANDS的值應(yīng)該與計(jì)算自洽的電荷密度時(shí)設(shè)置的NBADS一致。對(duì)4.5以上版本，可以不一致。

* 從自洽電荷密度計(jì)算得到的OUTCAR文件中找到倒格子矢量和費(fèi)米能級(jí)，并粘貼到syml文件中，然后用程序pbnd.x把EIGENVAL轉(zhuǎn)換為成bnd.dat（本征值，并以費(fèi)米能級(jí)為參考零點(diǎn)）和highk.dat（用來畫豎線），然后用軟件origin畫圖。

注釋：程序pbnf.x是通過編譯pbnd.f得到的可執(zhí)行文件，其輸入文件為EIGENVAL和

syml，輸出文件為BANDS、bnd.dat和highk.dat。pbnd.f可以處理自旋極化情況下計(jì)算得到的 EIGENVAL，不再輸出bnd.dat而是upbnd.dat和dnbnd.dat這兩個(gè)文件，分別對(duì)應(yīng)自旋向上和向下的能帶。

提示：在計(jì)算能帶結(jié)構(gòu)時(shí)，采用ISMEAR = 0或1對(duì)結(jié)果的影響非常小，可以認(rèn)為是一樣的。但是不能采用ISMEAR = -5 或-4。

2.能帶的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

固體材料的能帶結(jié)構(gòu)由多條能帶組成，能帶分為傳導(dǎo)帶（簡(jiǎn)稱導(dǎo)帶）、價(jià)電帶（簡(jiǎn)稱價(jià)帶）和禁帶等，導(dǎo)帶和價(jià)帶間的空隙稱為能隙。

能帶結(jié)構(gòu)可以解釋固體中導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體三大類區(qū)別的由來。材料的導(dǎo)電性是由“傳導(dǎo)帶”中含有的電子數(shù)量決定。當(dāng)電子從“價(jià)帶”獲得能量而跳躍至“傳導(dǎo)帶”時(shí)，電子就可以在帶間任意移動(dòng)而導(dǎo)電。

一般常見的金屬材料，因?yàn)槠鋫鲗?dǎo)帶與價(jià)帶之間的“能隙”非常小，在室溫下 電子很容易獲得能量而跳躍至傳導(dǎo)帶而導(dǎo)電，而絕緣材料則因?yàn)槟芟逗艽螅ㄍǔ４笥?電子伏特），電子很難跳躍至傳導(dǎo)帶，所以無法導(dǎo)電。一般半導(dǎo)體材料的能隙約為1至3電子伏特，介于導(dǎo)體和絕緣體之間。因此只要給予適當(dāng)條件的能量激發(fā)，或是改變其能隙之間距，此材料就能導(dǎo)電。 所有固體物質(zhì)都是由原子組成的，而原子則由原子核和電子組成。原子核外的電子在以原子核為中心的圓形軌道上運(yùn)動(dòng)，距離原子核越遠(yuǎn)的軌道其能級(jí)（電位能的級(jí)別）越高，電子也就越容易脫離原子的束縛，變成可以運(yùn)動(dòng)的自由電子。這有點(diǎn)像手上的風(fēng)箏，放得越高，其運(yùn)動(dòng)能量越大，掙脫線的束縛的可能性越大。所以，最外層的電子最活躍，決定了與其他原子結(jié)合的方式（化學(xué)鍵），決定了該元素的化學(xué)性質(zhì)，也就決定了該原子的價(jià)值，因此被稱作為“價(jià)電子”。以硅原子為例，其原子核外有14個(gè)電子，以“2、8、4”的數(shù)量分布在三個(gè)軌道上，里面2和8個(gè)電子是穩(wěn)定的，而外部的4個(gè)電子狀態(tài)容易發(fā)生變化，因此其物理、化學(xué)特性就與它的4個(gè)價(jià)電子強(qiáng)相關(guān)。原子的電子狀態(tài)決定了物質(zhì)的導(dǎo)電特性，而能帶就是在半導(dǎo)體物理中用來表征電子狀態(tài)的一個(gè)概念。在固體電子學(xué)中有一套能帶理論，便于研究固體（包括半導(dǎo)體）物質(zhì)內(nèi)部微觀世界的規(guī)律。

當(dāng)原子處于孤立狀態(tài)時(shí)，其電子能級(jí)可以用一根線來表示；當(dāng)若干原子相互靠近時(shí)，能級(jí)組成一束線；當(dāng)大量原子共存于內(nèi)部結(jié)構(gòu)規(guī)律的晶體中時(shí)，密集的能級(jí)就變成了帶狀，即能帶。能帶中的電子按能量從低到高的順序依次占據(jù)能級(jí)。下面是絕緣體、半導(dǎo)體和金屬導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。最下面的是價(jià)帶，是在存在電子的能帶中，能量最高的帶；最上面是導(dǎo)帶，一般是空著的；價(jià)帶與導(dǎo)帶之間不存在能級(jí)的能量范圍就叫做禁帶，禁帶的寬度叫做帶隙（能隙）。絕緣體的帶隙很寬，電子很難躍遷到導(dǎo)帶形成電流，因此絕緣體不導(dǎo)電。金屬導(dǎo)體只是價(jià)帶的下部能級(jí)被電子填滿，上部可能未滿，或者跟導(dǎo)帶有一定的重疊區(qū)域，電子可以自由運(yùn)動(dòng)，即使沒有重疊，其帶隙也是非常窄的，因此很容易導(dǎo)電。而半導(dǎo)體的帶隙寬度介于絕緣體和導(dǎo)體之間，其價(jià)帶是填滿的，導(dǎo)帶是空的，如果受熱或受到光線、電子射線的照射獲得能量，就很容易躍遷到導(dǎo)帶中，這就是半導(dǎo)體導(dǎo)電并且其導(dǎo)電性能可被改變的原理。

由于半導(dǎo)體的帶隙窄，電子容易發(fā)生躍遷，因而導(dǎo)電性能容易發(fā)生大的變化；電子狀態(tài)的變化還可能帶來其他效應(yīng)，比如從高能級(jí)到低能級(jí)躍遷過程中多余的能量以光子的形式釋放，則產(chǎn)生“發(fā)光”現(xiàn)象。獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)，正是半導(dǎo)體具有百變魔力之源。

3.有關(guān)能帶結(jié)構(gòu)問題：怎么重疊的、能帶什么形狀,是不是球殼形的

能帶理論跟之前的比較具象的電子移動(dòng)的理論根本不同吧，何來“什么形狀”之說？能帶本質(zhì)是能級(jí)的重疊，能級(jí)還有形狀嗎？具體來說：

1、內(nèi)部電子應(yīng)該不會(huì)分裂成能帶，因?yàn)槟軒Ю碚撌怯脕斫忉寣?dǎo)電性等物理特性的理論，參與討論的必須是價(jià)電子、以及受激電子，內(nèi)部電子一般不考慮，所以不存在會(huì)不會(huì)分裂成能帶的問題；

2、按照理論來說，應(yīng)該是N越大，能帶就越寬，也就是處于成鍵軌道和反鍵軌道的電子越多，但是此事應(yīng)該以事實(shí)為基礎(chǔ)，理論不見得正確，有可能觀察到的現(xiàn)象并不是這樣；

3、這個(gè)我不敢確定，硅的1S和2P？這個(gè)不是價(jià)電子啊。硅的3S能帶全滿，3P能帶不滿也不空，硅半導(dǎo)體的禁帶能量不大，電子可從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶。至于1S和2P的能級(jí)分裂，恕在下無能為力；

4、兩個(gè)硅原子？能帶理論針對(duì)的是大量的原子，只有大量原子的軌道重疊才能形成類似一條連續(xù)的能量帶一樣的“能帶”，討論兩個(gè)硅原子似乎沒什么意義，不過大約就是金屬分子軌道理論里一樣，軌道簡(jiǎn)并就好，但是應(yīng)該不能稱為“能帶”。

5、老實(shí)說，不知道。主要是不明白跟內(nèi)層電子有什么聯(lián)系……

對(duì)于這個(gè)理論我也實(shí)在一知半解，這種問題其實(shí)我覺得應(yīng)該問問化學(xué)院的老師們（如果你是學(xué)生，不過我估計(jì)老師們也可能會(huì)有不同的見解），或者查查歷史上相關(guān)實(shí)驗(yàn)和資料的文檔。

4.影響半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的因素有哪些

半導(dǎo)體（ semiconductor），指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體（conductor）與絕緣體（insulator）之間的材料。

半導(dǎo)體在收音機(jī)、電視機(jī)以及測(cè)溫上有著廣泛的應(yīng)用。如二極管就是采用半導(dǎo)體制作的器件。

半導(dǎo)體是指一種導(dǎo)電性可受控制，范圍可從絕緣體至導(dǎo)體之間的材料。無論從科技或是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度來看，半導(dǎo)體的重要性都是非常巨大的。

今日大部分的電子產(chǎn)品，如計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話或是數(shù)字錄音機(jī)當(dāng)中的核心單元都和半導(dǎo)體有著極為密切的關(guān)連。常見的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、砷化鎵等，而硅更是各種半導(dǎo)體材料中，在商業(yè)應(yīng)用上最具有影響力的一種。