GaAs在高壓下的金屬相變

于紅艷， 吳寶嘉

( 延邊大學(xué) 理學(xué)院， 吉林 延吉 133002 )

0 引言

GaAs作為一種重要的半導(dǎo)體材料，因具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率和電子遷移率，被廣泛地應(yīng)用于電子工業(yè)領(lǐng)域[1]，尤其是太陽能電池[2]和高速數(shù)字電路[3]領(lǐng)域.研究[4]表明，高壓能誘導(dǎo)材料的晶格結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)發(fā)生突變，進(jìn)而改變材料的電學(xué)性質(zhì).近些年來，學(xué)者們?cè)诶碚摵蛯?shí)驗(yàn)上對(duì)GaAs進(jìn)行了大量的高壓研究.例如在實(shí)驗(yàn)方面，學(xué)者們運(yùn)用電阻[5]、同步輻射X射線衍射[6]、拉曼散射[7]、X射線吸收[8]、電子顯微鏡[8]、熱波(Seebeck效應(yīng))[8]等對(duì)GaAs結(jié)構(gòu)進(jìn)行了壓力誘導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果均顯示在11.2～17.3 GPa壓力范圍內(nèi)GaAs會(huì)發(fā)生從閃鋅礦(zb)到Cmcm結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變；在理論方面， H.Arabi等[9]通過對(duì)GaAs進(jìn)行第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)Cmcm相的能帶能夠穿過費(fèi)米能級(jí)，即在理論上表明了Cmcm相為金屬相.但目前為止利用實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證GaAs的Cmcm相為金屬相的研究鮮有報(bào)道，為此本文采用高壓原位變溫電阻率測(cè)量方法研究GaAs的電阻率隨壓力和溫度變化的關(guān)系，以此驗(yàn)證Cmcm相是否為金屬相.

1 實(shí)驗(yàn)

GaAs粉末樣品購(gòu)于Alfa Aesar公司，純度為99.999%.樣品初始結(jié)構(gòu)為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，空間群為F-43m.壓力的產(chǎn)生裝置為直徑300 μm的金剛石對(duì)頂砧(DAC)，起保護(hù)金剛石作用的墊片為T301不銹鋼片，壓力校準(zhǔn)器為紅寶石[10].為了避免引入額外電阻，本文未引入傳壓介質(zhì).在考慮金剛石變形的前提下，用電子千分尺測(cè)定高壓下的樣品厚度.測(cè)量探針使用在金剛石砧面上集成的Mo薄膜電極，采用范德堡法測(cè)量樣品的變溫電阻率.范德堡法計(jì)算電阻率的公式[11]為

exp(-πR1d/ρ)+exp(-πR2d/ρ)=1.

運(yùn)用基于密度泛函理論的贗勢(shì)平面波方法對(duì)GaAs進(jìn)行第一性原理計(jì)算[12]，并通過GGA-PBZ模型描述交換關(guān)聯(lián)函數(shù).zb結(jié)構(gòu)和Cmcm結(jié)構(gòu)倒易空間的k點(diǎn)網(wǎng)格分別為6×6×6和7×7×7.Ga和As的最外層電子排布分別為3d104s24p1和4s24p3.計(jì)算中選用的平面波截止能量為528 eV，計(jì)算精度為Utra-fine.

2 結(jié)果與討論

2.1 GaAs結(jié)構(gòu)隨壓力的相變

運(yùn)用高壓原位電阻率測(cè)量方法測(cè)量高壓下GaAs樣品的電阻率，結(jié)果如圖1所示.由圖1可知，當(dāng)壓力范圍在常壓到4.0 GPa時(shí)， GaAs的電阻率超過了儀器的測(cè)量上限，即此時(shí)無法測(cè)量電阻率.當(dāng)壓力在4.0～12.0 GPa和13.0～25.0 GPa范圍內(nèi)時(shí)， GaAs的電阻率隨著壓力的增加逐漸減小，且減小趨勢(shì)較緩.然而壓力在從12.0 GPa變化到13.0 GPa的過程中， GaAs的電阻率急劇下降(3個(gè)數(shù)量級(jí)).結(jié)合文獻(xiàn)[13]的研究結(jié)果(GaAs可以發(fā)生金屬化相變)，可推斷此時(shí)GaAs發(fā)生了相變，即從zb相轉(zhuǎn)變?yōu)镃mcm相.

圖1 常溫下GaAs的電阻率隨壓力的變化

2.2 zb相和Cmcm相的電阻率

為了驗(yàn)證Cmcm相的結(jié)構(gòu)是否為金屬相，對(duì)GaAs進(jìn)行高壓變溫電阻率測(cè)量.測(cè)量選取10個(gè)壓力點(diǎn)，其中5個(gè)為zb相， 5個(gè)為Cmcm相.不同壓力下GaAs的電阻率隨溫度的變化關(guān)系以Arrhenius形式給出，結(jié)果如圖2所示.由圖2可以看出：當(dāng)壓力低于12.0 GPa時(shí)， zb相的電阻率隨溫度的升高而減小，此變化趨勢(shì)表明zb相的GaAs是半導(dǎo)體態(tài)；當(dāng)壓力高于12.0 GPa時(shí)，GaAs的電阻率隨溫度升高而增大，且電阻率的數(shù)值變化較大(6個(gè)數(shù)量級(jí))，此變化趨勢(shì)表明Cmcm相的GaAs是金屬態(tài).由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知， 從zb相到Cmcm相的變化過程中的確發(fā)生了金屬化現(xiàn)象.

圖2 不同壓力下GaAs的電阻率隨溫度的變化

2.3 zb相和Cmcm相的能帶

為了研究壓力誘導(dǎo)下GaAs能帶結(jié)構(gòu)的變化情況，運(yùn)用第一性原理對(duì)GaAs的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖3所示.計(jì)算選取的壓力點(diǎn)為6.0 GPa(zb相)和20.0 GPa(Cmcm相).由圖3(a)可以看出，壓力為6.0 GPa時(shí)導(dǎo)帶的底部和價(jià)帶的頂部位于同一G點(diǎn)， zb結(jié)構(gòu)的帶隙約為0.82 eV，即zb相的GaAs為直接帶隙半導(dǎo)體.從圖3(b)可以看出，壓力為20.0 GPa時(shí)GaAs的能帶會(huì)跨越費(fèi)米能級(jí)，且導(dǎo)帶和價(jià)帶交疊，這表明Cmcm相為金屬相.

(a) 6.0 GPa下GaAs的能帶結(jié)構(gòu)

(b) 20.0 GPa下GaAs的能帶結(jié)構(gòu)圖3 不同壓力下GaAs的能帶結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

本文實(shí)驗(yàn)研究表明， GaAs在12.0 GPa壓力下會(huì)發(fā)生從zb相到Cmcm相的結(jié)構(gòu)相變， Cmcm相GaAs的電阻率隨溫度升高而增加，且其能帶會(huì)跨越費(fèi)米能級(jí).本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了Cmcm相是金屬相的理論預(yù)測(cè)，并且對(duì)拓寬GaAs的應(yīng)用范圍具有很好的參考價(jià)值.另外，通過本文實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),高壓變溫電阻率測(cè)量法可作為一種有效地確認(rèn)固體材料是否為半導(dǎo)體態(tài)或金屬態(tài)的測(cè)量方法.