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물질 파라미터와 이들이 솔버에 적용되는 방식

학습 목표. 이 페이지를 읽은 후에는 다음을 수행할 수 있어야 합니다:

사전 요구사항: 사용하려는 모델 페이지들; 본 페이지는 해당 페이지들과 함께 참고하기 위한 자료입니다.

예상 소요 시간: 25분.

Every quantum-well solver is only as good as the material parameters it is given. This page explains what each parameter means physically, which Hamiltonian term it controls, its units and the common sign or convention traps — rather than listing numerical values, which belong in the material database and in the compilations cited on the references page. Parameters are grouped by the solver that uses them.

1. 에너지 및 에너지 기준값

The most common source of error is the energy reference. OghmaNano measures energies from the structure valence-band maximum (placed at zero), and each material's valence edge \(E_v\) is supplied on a common absolute scale so that band offsets are correct. The multiband solvers derive the conduction edge as \(E_c = E_v + E_g\) and, internally, an average valence energy that the spin-orbit and crystal-field terms then split back to the physical band edge.

Table 1. Band energies and references.
파라미터의미제어 기능단위
\(E_g\)기본 밴드갭전도대와 가전대의 분리; \(E_c=E_v+E_g\)전자볼트
\(E_v\)공통 척도상의 가전대 가장자리대각선 방향의 가전대 에너지; 이는 밴드 오프셋을 결정함전자볼트(eV)
\(E_c\)전도대 가장자리 (산출값)전도대 대각선전자볼트
\(E_{v,\text{av}}\)스핀-궤도/결정장 평균화된 가전대 에너지SO/CF 분열 이전의 내부 대각성분전자볼트(eV)
\(\Delta_{\text{so}}\)스핀-궤도 분리분리대 위치; 스핀-궤도 결합전자볼트

2. 유효질량

The band-edge electron mass fixes the conduction curvature and, in the multiband models, is used to back out the remote-band parameter. Hole masses appear directly only in the parabolic solver; in the k·p models the valence masses are encoded in the Luttinger (or wurtzite \(A_i\)) parameters instead. Silicon's valleys are anisotropic and need two masses each.

Table 2. Effective masses (in units of the free-electron mass \(m_0\)).
파라미터의미제어 기능단위
\(m_e\)밴드 가장자리에서의 전자 질량전도대 곡률; 원격 파라미터 \(A_c\)\(m_0\)
\(m_h\)정공 질량(포물선형 솔버)스칼라 모델에서의 가전대 곡률\(m_0\)
\(m_l\)종방향 밸리 질량(실리콘)밸리 축 방향의 질량\(m_0\)
\(m_t\)횡방향 밸리 질량(실리콘)밸리 축 방향의 질량\(m_0\)

3. 아연블렌드 구조의 가전대 및 결합 파라미터

The Luttinger parameters describe the coupled heavy-, light- and split-off holes; the Kane energy sets the conduction–valence coupling. In the 8-band model OghmaNano combines these into the internal \(A_c, L, M, N, P\) parameters, renormalising \(L\) and \(N\) (and, in the standard mode, \(A_c\)) to avoid double-counting the explicit Kane coupling.

Table 3. Zincblende valence and Kane parameters.
파라미터의미제어 기능단위
\(\gamma_1,\gamma_2,\gamma_3\)루팅거 파라미터가전대 \(L, M, N\) 운동항무차원
\(E_p\)케인 에너지케인 결합 \(P=\sqrt{(\hbar^2/2m_0)E_p}\)전자볼트
\(P\)케인 운동량 행렬 요소전도대-가전대 결합eV·m (내부적으로 사용됨)

구현 관련 참고사항. 8-밴드 해밀토니안 내에서 사용되는 루팅거 파라미터들은 다음과 같다 완전함 벌크 물성값; 이 코드는 이를 처리합니다 \(+E_p/E_g\) 내부적으로 계산 시 차감 처리됨 \(L\) 그리고 \(N\)재료 데이터베이스에서 루팅거 파라미터에서 결합 효과를 미리 빼내지 마십시오. 그렇지 않으면 가전대 질량값이 잘못 계산됩니다. 서로 다른 규칙(완전형 대 수정형 루팅거 파라미터)을 사용하는 코드 간에 파라미터를 이관할 때 이 문제가 불일치의 주요 원인이 되곤 합니다.

4. 아연블렌드 구조의 변형 퍼텐셜 및 탄성 강성 상수

Strain enters through the deformation potentials and requires the elastic constants and lattice constants to compute the strain tensor. The conduction and valence hydrostatic potentials combine into the gap deformation potential; the shear potentials \(b\) and \(d\) split the valence bands.

Table 4. Zincblende strain parameters.
파라미터의미제어 기능단위
\(a_c\)전도대 수압 변형 퍼텐셜\(a_c\,\mathrm{Tr}\varepsilon\) 이동량전자볼트
\(a_v\)가전대 등방성 변형 퍼텐셜비르-피쿠스 \(P=a_v\mathrm{Tr}\varepsilon\)전자볼트
\(b\)사방정계 전단 변형 퍼텐셜Bir–Pikus \(Q\); 중량정공과 경량정공의 분리전자볼트(eV)
\(d\)삼각정계 전단 변형 퍼텐셜Bir–Pikus \(R, S\) 전단 결합전자볼트(eV)
\(a\), \(a_{\text{sub}}\)층 및 기판의 격자 상수면내 불일치 변형미터
\(C_{11}, C_{12}\)탄성 강성 상수\(\varepsilon_{zz}=-2(C_{12}/C_{11})\varepsilon_{xx}\)파스칼

5. 육방정계 물질의 파라미터

Wurtzite needs more parameters because of its lower symmetry: six valence parameters, three splitting energies, two Kane energies, two conduction-mass parameters and separate hydrostatic and shear deformation potentials.

Table 5. Wurtzite parameters.
파라미터의미제어 기능단위
\(A_1\dots A_6\)가전대 유효질량 파라미터가전대 \(L_i, M_i, N_i\) 운동항무차원
\(\delta_1\)결정장 분리\(X,Y\)의 값이 \(Z\)에 비해 증가함전자볼트
\(\delta_2, \delta_3\)스핀-궤도 결합 파라미터가전대 스핀-궤도 결합전자볼트
\(E_{p1}, E_{p2}\)c축 및 기저면 방향의 케인 에너지\(P_1\) (S–Z), \(P_2\) (S–X,Y)전자볼트
\(S_1, S_2\)c축 및 기저면 전도질량 파라미터이방성 전도 분산무차원
\(a_1, a_2\)c축 및 기저면 방향의 전도 변형 퍼텐셜전도대 변형에 따른 에너지 변화전자볼트
\(D_1\dots D_6\)가전대 변형 퍼텐셜가전대 변형 퍼텐셜 (\(D_6\) 전단 변형에만 해당)전자볼트(eV)
\(C_{ij}\)육방정계 탄성 상수c면 변형 텐서파스칼

6. 실리콘 Δ-밸리 파라미터

Table 6. Silicon conduction-valley parameters.
파라미터의미제어 기능단위
\(\Xi_d\)팽창형 변형 퍼텐셜\(\Xi_d\,\mathrm{Tr}\varepsilon\): 모든 밸리 위치를 이동시킴전자볼트
\(\Xi_u\)단축 변형 퍼텐셜\(\Xi_u\,\varepsilon_{\text{valley}}\): \(\Delta_2/\Delta_4\)를 분할함전자볼트
\(m_l, m_t\)종방향/횡방향 질량이방성 밸리 분산\(m_0\)

7. 희석형 질화물(10-밴드) 파라미터

Table 7. Band-anticrossing parameters.
파라미터의미제어 기능단위
\(x_N\)질소 몰 분율결합 강도 \(V_N=\beta_N\sqrt{x_N}\)무차원
\(E_N\)질소 공명 준위 에너지질소 대각선 \(H_{NN}\)전자볼트
\(\beta_N\)질소 결합 상수전도대와 질소 간의 결합전자볼트

8. 광학 및 수송 파라미터

The gain and scattering calculations need a few further inputs: the refractive index and Lorentzian broadening for gain, and the mass density, sound velocity and acoustic deformation potential for scattering. These are properties of the medium and the phonons rather than of the band structure.

Table 8. Optical and transport parameters.
파라미터의미제어 기능단위
\(n_r\)굴절률이득 선행계수무차원
\(\gamma\)로렌츠 반치선형상의 넓어짐전자볼트(eV)
\(\rho\)질량 밀도음향 산란 선행인자kg·m\(^{-3}\)
\(v_s\)음속음향 산란 선행인자m·s\(^{-1}\)
\(D\)음향 변형 퍼텐셜산란 행렬 성분전자볼트

주요 내용