在通過金屬有機化學氣相沉積和化學液相傳輸制備AlN的過程中，不可避免地會存在缺陷（VAl/VN）和無意雜質（C/O/Si/Hi）。特別是，在真空環境中很難消除Hi。
有鑒于此，內蒙古工業大學侯清玉等人運用第一原理估算研究了AlN及其含缺陷系統的機械性能、熱導率和光學性能。
計算方式與模型
圖1. 未參雜AlN的總能量與截斷能量的曲線
本文使用的軟件為MS8.0（），并采用了密度泛函理論框架下的廣義梯度近似方式，選擇的泛函是–Burke–（PBE）。
圖1是收斂測試后的截斷能量為350eV。布里淵區的k點為3×3×2，能量收斂標準為5.0×10-6eV/atom，力收斂標準為0.01eV/，內部撓度不小于0.02GPa，公差誤差為5.0×10-4 。
用于建立贗勢的價電子構象為Al-、N-、H-1s1、C-、O-和Si-。
圖2. 聲子色散普
圖3. 模型結構
本文選擇的結構為AlN的纖鋅礦結構，空間群為P63mc。為了確保基本結構的動態穩定性，計算了未參雜AlN的聲子色散譜。
圖2顯示聲子色散中沒有虛頻，表明AlN具有動態穩定性。然后，在AlN上進行3×3×2超胞，如圖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；如圖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空位與H原子（0.656、0.338和0.617）共存。、、（M=C/O/Si）和（M=C/O/Si）體系的雜質含量均為1.38%，結構的雜質含量為2.77%。
結果與討論
圖4. 態密度圖
為了闡述點缺陷對AlN熱學性能影響的內在緣由，并了解原子間的鍵合特點，對態密度（DOS）進行剖析。AlN的導帶主要由Al3p態組成，價帶主要由N2p態組成，具體如圖4（a）所示。
系統的DOS的形狀與未參雜結構的DOS的形狀十分接近，表明本征點缺陷幾乎沒有改變AlN的基態結構。然而，圖4（b）–（i）顯示，當參雜不同的外來元素時，所有系統的DOS都發生了變化，即所有體系都有兩個鍵合峰。第一個坐落-6–0 eV處，由Al的3s和3p態與N的2p態的電子介孔產生。第二個(-16至-12eV）是由Al 3s和3p態與N 2s態的電子介孔產生的。
上述結果表明，Al和N之間存在共價鍵。反鍵峰坐落5eV左右，主要由Al的3p電子組成。受點缺陷影響，第一鍵峰變寬并增加了強度。此外，Al和N原子的軌道重疊稍為減緩，電子離域提高，共價鍵減小，從而增加強度。
圖5. 電子密度分布圖
為了更直觀地觀察電子在每位系統原子周圍的分布并判定原子之間的相互作用，繪制了平行于含缺陷的（0 0 1）平面的電荷密度分布圖，電荷密度范圍為3.961×10-2至3.599 e -3。
紅色代表更多的電荷集聚，而白色代表更少的電荷分布。如圖5（a）所示，大多數電荷集中在N原子周圍，因為N原子本身的最內層自由電子比Al原子的多，并且一些電子也從Al原子轉移到N原子。并且電荷呈現局部化，原子之間的相互作用很強，使得AlN的強度更高。
圖5（b）–（c）表明，由于VAl的存在，與其相鄰N原子周圍的電子局域性提高，而VAl會增加電子密度。因此，原子之間的離子鍵提高，共價鍵減慢。因此，和系統的強度大于AlN。
圖5（d）–（f）表明，Si原子對相鄰N原子的電子分布影響最小，而O原子對相鄰氮原子的電子影響最大。因此，當M原子代替Al原子時，O原子對AlN強度的影響最大，其次是C原子，Si原子的影響最小。該結果與估算的強度一致（＞＞）。
圖5（g）–（i）表明，當O原子代替N原子時，它對相鄰N原子的電子分布的影響最小，而Si原子對相鄰N的電子分布影響最大。因此，當M原子代替N原子時，Si原子對AlN強度的影響最大，其次是C原子，O原子的影響最小。該結果與估算的強度一致（＞＞）。
總之，缺陷的存在會影響AlN中電子的分布，使離子鍵更強，共價鍵較弱，從而減少AlN的強度。
圖6. 復介電函數
和含雜質系統的介電函數的實部和虛部如圖6所示6，介電函數實部的縱座標值為相應的介電常數，無入射光情況下的值為靜態介電常數。當介電常數較大時，系統對應禁錮電荷的能力和極化能力更強。
、、、、、、、和系統的靜態介電常數分別為1.96、3.51、3.05、2.36、2.04、2.73、5.36、22.42和2.13。所有含雜質系統的靜態介電常數均小于純，表明雜質的存在有助于降低靜態介電率，從而提升系統的極化率。
在所有系統中，的靜態介電常數最大，表明其具有最強的電荷結合能力和極化率，并且結構的光生電場強度變大，這有利于光生電子-空穴對的遷移和分離。當Si雜質步入中的Al位置時，它對的結合電荷能力和極化能力影響最大。
含雜質系統的介電函數的實部曲線與純的主要差別在0–5eV范圍內，并且在能量小于5eV后，該曲線沒有變化。和系統的介電函數的實部在2.4–5.0 eV的范圍內大于0，即光不能在此能量范圍內傳播。
圖7. 復折射率
如圖7所示，復折射率的實部是折射率，虛部是消光系數。折射率曲線表示在相應能量的光子照射下晶體的宏觀折射率。當光子能量為0eV時，純的靜態折射率為1.40。含雜質系統、、、、、、和在光子能量為0 eV時的靜態折射系數分別為1.87、1.75、1.53、1.43、1.65、2.31、4.74和1.46。雜質都不同程度地提升了純AlN的折射率，其中體系的折射率最大。
這一結果與介電常數的結果一致。與純AlN相比，含雜質系統的折射率在0–7eV范圍內變化很大。消光系數反映了晶體在相應光子能量下對入射光的吸收。
圖7（b）顯示，與純相比，所有含雜質系統的消光系數都移到了較低的能量區域，并且所有含雜質的系統在0–5 eV范圍內都有一個新的峰值。和系統在0–5 eV范圍內的峰小于五老峰的最大峰。
純的消光系數的最大峰值為1.50，雜質系統、、、、、、和的最大峰值分別為1.44、1.43、1.49、1.49，1.40、1.82、4.29和1.47。表明Si雜質對的消光系數影響最大。
圖8. 吸收譜
當入射光的震動頻度與物質中原子的震動頻度一致時，發生共振吸收。此時，入射光的能量被強烈吸收，使得電子從低基態到高能級吸收光子。圖8顯示了所有系統在深紫外區域都有很強的光吸收，表明AlN特別適宜作為深紫外探測器。所有含雜質系統的吸收波譜都向更長的波長方向聯通，顯示出不同程度的紅移。
在可見光范圍內，具有最佳的光吸收和最高的可見光利用率。所有含雜質體系的最強吸收峰的位置與純在約130nm波長處的吸收峰相同。與純相比，除和體系外，其他體系的最強吸收峰均增加。總之，雜質的存在增強了AlN的光吸收率，因為它改變了AlN電子結構，從而降低了AlN在可見光波段的吸收率。
圖9. 反射率分布
反射率是當入射光撞擊晶體時光的色散是折射嗎光的色散是折射嗎，晶體表面反射光的硬度與入射光的硬度之比。反射率的大小與許多誘因有關（入射光的角度、強度、波長和材料表面的特點），而相應的反射率如圖9所示。
當光子能量為0時，純的反射率為0.03，、、、、、、和的反射率值分別為0.09、0.07、0.04、0.04、0.06、0.16、0.42、0.04，即雜質在不同程度上提高了的反射率。在0–6 eV的范圍內，與純相比，、、、、和系統的反射顯著提高。
所有系統都具有7–15 eV范圍內的兩個反射峰。與純相比，除和體系外，所有體系的反射峰都有不同程度的減少。這一結果與吸收波譜剖析一致，即若果一種材料在某一波段具有較高的光吸收率，則相應的反射率也較高。
圖10. 能量損失函數
能量損失函數是描述電子快速通過材料時能量損失的重要誘因。圖10顯示了和含雜質系統的能量損失函數。在0–5 eV的范圍內，每個系統的能量損失略有不同。對于所有系統，在12–15 eV的范圍內都出現了強能量損失函數峰值。與純相比，除和系統外，含雜質系統的能量損失增加。
結論展望
結果表明，和體系的抗變型能力較差，硬度較小。當雜質C或O坐落N位置時，對AlN各向異性的影響相對較大。O雜質和Al空位對AlN晶格的熱導率有較大影響。當O雜質坐落N位置而Si雜質坐落Al位置時，對AlN的光學性質的影響相對較大，這些將有助于改善AlN的偏振光能力、折射率、反射率和可見光的吸收。
文獻信息
Zhang Y, Hou Q. First- study on the of point on the , , and of AlN[J]. , 2022: .