InnN,（n=1～13）,团簇的几何结构和电子性质

【摘 要】利用密度泛函理论中的广义梯度近似（GGA）系统研究了InnN（n=1～13）团簇的几何构型，稳定性，电子性质。结果表明， InnN团簇n=1～2是线性的，n=3～5是平面形的，而n=6～13则是三维结构。通过分析InnN团簇的二阶能量差分可以看到，最大的峰值出现在n=3、7、9处，说明这些团簇的稳定性较近邻的其它团簇要高，这与平均结合能的变化情况所得结论是一致的。通过Mulliken布居分析发现，小的InnN团簇具有些许的离子性。InnN团簇的最高占据分子轨道与最低未占据分子轨道之间的能隙，垂直电离势及电子亲和势都表现出奇偶振荡行为。总之，垂直电离势随团簇尺寸的增加而减小，电子亲和势随团簇尺寸的增加而增大。

【关键词】团簇；密度泛函理论；几何结构和电子性质；稳定性

The Geometrical Structures and Electronic Properties of InnN （n=1～13） cluster

LI Yong

（Henan Quality Polytechnic， Pingdingshan Henan 467000， China）

【Abstract】Using GGA system of density functional theory to research on geometrical structure， stability， and electronic properties about InnN （n=1～13） cluster. InnN cluster n=1～2 is linear， N=3～5 is planar， While n=6～13 is a three-dimensional structure. Via to analyze second order energy difference of InnN cluster， we can see that the largest peak appears at n=3， 7 and 9， it illustrate that the stability of these clusters is higher than other clusters which are close to these clusters， so the conclusion is consistent with change situation of specific binding energy. After research on Mulliken population analysis， we can get that smaller InnN cluster has some of the ionic properties. Bandgap energy gap， Vertical ionization potential and Electron affinity between highest occupied molecular orbital and lowest occupied molecular orbital of InnN cluster， all of them showed that Odd even oscillation behavior. Anyway， Vertical ionization potential decreases with increasing cluster size， Electron affinity increases with the increase of cluster size.

【Key words】Cluster； Density functional theory； Geometrical structures and electronic properties； Stability

0 引言

原子团簇可看作各种物质由原子分子向大块物质转变过程中的特殊物相，引起了人们极大的兴趣。III 族氮化物，如BN，AlN，GaN和InN是很重要的半导体材料，在微电子和光电子领域均显示出广阔的应用前景，这导致了人们在理论和实验上对其结构、电子性质和光学性质的大量的研究。BN的电子谱已被理论和实验调查，并且基态结构已经被确定[1-4]。随着对凝聚态物质理论研究的系统和深入，以及AlN，GaN 薄膜材料研究的进展，对AlN，GaN 团簇以及以AlN，GaN为簇合物骨架系列的研究多有报导[5-7]。在理论方面，许多理论工作者计算了AlN[8-16]和GaN[11-24]团簇的几何结构和电子结构。

InN同其它的III 族氮化物AlN和GaN相比，被认为是低损耗高效电池、光学掩膜及多种传感器的优选材料[25] 。相对于GaAs和GaN，InN具有优越的稳态和瞬态电子输运特性，这些特性使得InN在高频率，高速率晶体管的应用上有着非常独特的优势[26-27]。此外InN在太赫兹（THz）辐射中有很好的应用前景，在热光伏系统中则可作为等离子体滤波器材料等[28-31]。Jones et al.[32]利用分子束外延（MBE）技术生长InN，并进行了不同程度的Mg掺杂，结果Mg掺杂InN样品内部呈现出较强的p型特征。一些工作者[33-37]利用现代谱学实验方法来测量InN的带隙。最近，Petravic et al. [38]通过软X射线吸收谱研究了N缺陷InN的电子结构。尽管InN材料有很多优良特性，然而这些研究主要集中在晶体材料上，这些材料在微电子和光电子等方面的应用要求对其团簇分子的物理和化学性质有足够的了解。然而关于InN团簇的研究却很少。Zhou and Andrews[6]采用用Laser-Ablated方法得到了InN、NInN和In3N团簇的红外谱图。理论上对InN团簇的报道也仅限于有限的几个小的InnN（n=1～3）团簇的研究。Kandalam et al.在密度泛函理论的基础上运用非局域密度近似的方法计算了InnNm（n，m=1～2）[11-12]和（InN）n（n=3～6）[13-14]团簇的结构和稳定性，Costales et al. [15-17]用密度泛函理论对（InN）n（n=1～6）中性和阴离子团簇的几何结构，电子性质及化学键合进行了研究。