Параметри матеріалів і те, де вони використовуються в алгоритмах розв’язання задач.
Навчальні цілі. Після прочитання цієї сторінки ви повинні вміти:
- Зрозумійте фізичний зміст кожного параметра матеріалу, що використовується для створення квантової ями.
- З’ясуйте, яким саме параметром керує кожен член гамільтоніану.
- Ознайомтеся із загальноприйнятими одиницями вимірювання енергії та умовними позначеннями.
- Розрізняйте параметри кристалічних ґраток цинкбленду, вурциту та кремнію.
- З’ясуйте, де зібрано достовірні значення параметрів.
Необхідні умови. Сторінки з прикладами моделей, які ви плануєте використовувати; ця сторінка є довідковою і призначена для перегляду разом із ними.
Орієнтовний час читання: 25 хвилин.
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. Енергія та показники, пов’язані з енергією
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.
| Параметр | Значення | Елементи керування | Одиниці вимірювання/підрозділи/елементи. |
|---|---|---|---|
| \(E_g\) | Основна ширина забороненої зони. | Розділення провідності та валентності; \(E_c=E_v+E_g\) | еВ |
| \(E_v\) | Межа валентної зони на загальній шкалі. | Діагональна енергія валентності; визначає величину смугових зсувів. | еВ |
| \(E_c\) | Межа зони провідності (розрахована) | Діагональ теплопровідності | еВ |
| \(E_{v,\text{av}}\) | Усереднена за спін-орбітальною взаємодією та кристалічним полем валентна енергія | Внутрішня діагональ до розділення SO/CF | еВ |
| \(\Delta_{\text{so}}\) | Розщеплення спін-орбітальної взаємодії | Положення роз’єднаної групи; зв’язок між групами. | еВ |
2. Ефективні маси
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.
| Параметр | Значення | Елементи керування | Одиниці вимірювання/підрозділи/елементи. |
|---|---|---|---|
| \(m_e\) | Ефективна маса електрона на межі зони. | Кривизна провідності; віддалений параметр \(A_c\) | \(m_0\) |
| \(m_h\) | Загальна маса (розв’язувач параболічних рівнянь) | Кривина валентності в скалярній моделі | \(m_0\) |
| \(m_l\) | Подовжня долинна маса (Si) | Маса, розподілена вздовж осі долини. | \(m_0\) |
| \(m_t\) | Поперечна долинна маса (Si) | Маса, розподілена вздовж осі долини. | \(m_0\) |
3. Параметри валентності та взаємодії в структурі цинкбленду
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.
| Параметр | Значення | Елементи керування | Одиниці вимірювання/підрозділи/елементи. |
|---|---|---|---|
| \(\gamma_1,\gamma_2,\gamma_3\) | Параметри Люттінгера | Валентні кінетичні члени \(L, M, N\) | безрозмірна величина |
| \(E_p\) | Енергія Кейна | Муфта Кане \(P=\sqrt{(\hbar^2/2m_0)E_p}\) | еВ |
| \(P\) | Елемент матриці імпульсу Кейна | Зв’язок між провідністю та валентністю | еВ·м (внутрішньо) |
Примітка щодо реалізації. Параметри Люттінгера, які використовуються в 8-смуговій гамільтоніані, є повними значеннями для об’єму матеріалу; код виконує віднімання \(+E_p/E_g\) внутрішньо під час формування \(L\) і \(N\). Не потрібно попередньо віднімати величину взаємодії від параметрів Люттінгера в базі даних матеріалів, інакше значення мас валентної зони будуть невірними. Це є частою причиною розбіжностей під час перенесення параметрів між кодами, які використовують різні системи (повні та модифіковані параметри Люттінгера).
4. Потенціали деформації структури цинкбленду та пружні характеристики
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.
| Параметр | Значення | Елементи керування | Одиниці вимірювання/підрозділи/елементи. |
|---|---|---|---|
| \(a_c\) | Потенціал гідростатичної деформації, що виникає внаслідок провідності | \(a_c\,\mathrm{Tr}\varepsilon\) зміна | еВ |
| \(a_v\) | Валентний гідростатичний потенціал деформації | Бір-Пікус \(P=a_v\mathrm{Tr}\varepsilon\) | еВ |
| \(b\) | Тетрагональний потенціал деформації зсуву | Розгалуження судин головного мозку типу Бір–Пікуса \(Q\); розгалуження внутрішньої та латеральної судин. | еВ |
| \(d\) | Потенціал деформації зсуву ромбоедричної структури | З’єднувальне муфтове з’єднання типу «Бір–Пікус» \(R, S\) | еВ |
| \(a\), \(a_{\text{sub}}\) | Параметри ґратки шару та підкладки | Напруження, що виникає в площині через невідповідність. | м |
| \(C_{11}, C_{12}\) | Коефіцієнти пружної жорсткості | \(\varepsilon_{zz}=-2(C_{12}/C_{11})\varepsilon_{xx}\) | Тато |
5. Параметри вюрциту
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.
| Параметр | Значення | Елементи керування | Одиниці вимірювання/підрозділи/елементи. |
|---|---|---|---|
| \(A_1\dots A_6\) | Ефективні параметри маси валентних електронів | Валентні кінетичні члени \(L_i, M_i, N_i\) | безрозмірна величина |
| \(\delta_1\) | Розщеплення кристалічного поля | Збільшує значення \(X,Y\) відносно \(Z\). | еВ |
| \(\delta_2, \delta_3\) | Параметри спін-орбітальної взаємодії | Валентне SO-зв’язування | еВ |
| \(E_{p1}, E_{p2}\) | енергії Кейна, пов’язані з віссю «c» та базою кристалічної структури | \(P_1\) (П–Я), \(P_2\) (П–Х, Y) | еВ |
| \(S_1, S_2\) | параметри провідності вздовж осі «c» та основної маси | Анізотропна дисперсія провідності | безрозмірна величина |
| \(a_1, a_2\) | потенціали деформації при провідності вздовж осі «c» та в основній площині | Зміна напруження під час теплопровідності | еВ |
| \(D_1\dots D_6\) | Потенціали деформації валентності | Напруга валентності (\(D_6\) лише зрізати) | еВ |
| \(C_{ij}\) | Гексагональні пружні константи | тензор деформації в площині c | Тато |
6. Параметри кремнієвої дельта-долини
| Параметр | Значення | Елементи керування | Одиниці вимірювання/підрозділи/елементи. |
|---|---|---|---|
| \(\Xi_d\) | Потенціал деформації при розширенні | \(\Xi_d\,\mathrm{Tr}\varepsilon\): зсуває всі низини. | еВ |
| \(\Xi_u\) | Потенціал деформації в одному напрямку | \(\Xi_u\,\varepsilon_{\text{valley}}\): розділяє \(\Delta_2/\Delta_4\) | еВ |
| \(m_l, m_t\) | Поздовжні/поперечні утворення. | Анізотропна дисперсія в долині. | \(m_0\) |
7. Параметри розведеного нітриду (10 смуг)
| Параметр | Значення | Елементи керування | Одиниці вимірювання/підрозділи/елементи. |
|---|---|---|---|
| \(x_N\) | Молярна частка азоту | Міцність з’єднання \(V_N=\beta_N\sqrt{x_N}\) | безрозмірна величина |
| \(E_N\) | Енергія резонансних рівнів азоту | Діагональ, що містить азот \(H_{NN}\) | еВ |
| \(\beta_N\) | Константа зв’язку атомів азоту | Кондуктивне з’єднання з азотом | еВ |
8. Оптичні та транспортні параметри
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.
| Параметр | Значення | Елементи керування | Одиниці вимірювання/підрозділи/елементи. |
|---|---|---|---|
| \(n_r\) | Показник заломлення | Отримайте префікс. | безрозмірна величина |
| \(\gamma\) | Лоренцівська півширина | Розширення спектральної лінії | еВ |
| \(\rho\) | Масова густина | Попередній коефіцієнт акустичного розсіювання | кг·м\(^{-3}\) |
| \(v_s\) | Швидкість звуку | Попередній коефіцієнт акустичного розсіювання | мікросекунда\(^{-1}\) |
| \(D\) | Потенціал акустичної деформації | Елемент матриці розсіювання | еВ |
Основні моменти/ключові аспекти
- OghmaNano посилається на енергії, пов’язані зі структурою, та на максимальну енергію валентної зони; значення \(E_v\) подано в єдиній шкалі.
- Надайте повний набір (без змін) параметрів Люттінгера; код виконує ренормалізацію Кейна внутрішньо.
- Вюрциту потрібні \(A_1\dots A_6\), \(\delta_1,\delta_2,\delta_3\), \(E_{p1},E_{p2}\), \(S_1,S_2\) і \(a_1,a_2,D_1\dots D_6\).
- У складі матеріалу на основі кремнію використовується \(\Xi_d,\Xi_u,m_l,m_t\); додавання розведених нітридів забезпечує \(x_N,E_N,\beta_N\).