锗的热力学性能第一性原理研究--计算材料学课程设计

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13N_超高纯锗单晶的制备与性能研究　

第53卷第3期2024年3月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.53㊀No.3March,202413N 超高纯锗单晶的制备与性能研究顾小英1,赵青松1,牛晓东1,狄聚青1,张家瑛1,肖㊀溢1,罗㊀恺2(1.安徽光智科技有限公司,滁州㊀239000;2.广东先导稀材股份有限公司,清远㊀511517)摘要:13N 超高纯锗单晶是制作超高纯锗探测器的核心材料㊂本文通过还原法获得还原锗锭,再由水平区熔法提纯获得12N 高纯锗多晶,最后由直拉法生长得到13N 超高纯锗单晶㊂通过低温霍尔测试㊁位错密度检测㊁深能级瞬态谱(DLTS)测试对13N 超高纯锗单晶性能进行分析㊂低温霍尔测试结果显示,晶体头部截面平均迁移率为4.515ˑ104cm 2㊃V -1㊃s -1,载流子浓度为1.176ˑ1010cm -3,导电类型为p 型,位错密度为2256cm -2;尾部截面平均迁移率为4.620ˑ104cm 2㊃V -1㊃s -1,载流子浓度为1.007ˑ1010cm -3,导电类型为p 型,位错密度为2589cm -2㊂晶体深能级杂质浓度为1.843ˑ109cm -3㊂以上结果表明该晶体是13N 超高纯锗单晶㊂关键词:锗单晶;探测器;迁移率;载流子浓度;位错密度中图分类号:O78㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1000-985X (2024)03-0497-06Preparation and Properties of 13N Ultra-High Purity Germanium Single CrystalsGU Xiaoying 1,ZHAO Qingsong 1,NIU Xiaodong 1,DI Juqing 1,ZHANG Jiaying 1,XIAO Yi 1,LUO Kai 2(1.Anhui Guangzhi Technology Co.,Ltd.,Chuzhou 239000,China;2.Guangdong Pioneer Thin Materials Co.,Ltd.,Qingyuan 511517,China)Abstract :13N ultra-high purity germanium single crystal is the core material for producing ultra-high purity germanium detectors.This article obtains reduced germanium ingots by reduction method,then purifies them by horizontal zone refining method to obtain 12N high-purity germanium polycrystals,and finally grows 13N ultra-high purity germanium single crystals by Czochralski method.The performance of 13N ultra-high purity germanium single crystal was tested and studied through low-temperature Hall test,dislocation density test,and deep level transient spectroscopy (DLTS)detection.The low-temperature Hall results show that the average mobility of the crystal head cross-section is 4.515ˑ104cm 2㊃V -1㊃s -1,the carrier concentration is 1.176ˑ1010cm -3,and the conductivity is p-type,the dislocation density at the crystal head is 2256cm -2.The average mobility of the tail section is 4.620ˑ104cm 2㊃V -1㊃s -1,the carrier concentration is 1.007ˑ1010cm -3,and the conductivity type is p-type,the dislocation density at the tail of the crystal is 2589cm -2.The concentration of deep level impurities in the crystal is 1.843ˑ109cm -3.The results indicate that the crystal is 13N ultra-high purity germanium single crystal.Key words :germanium single crystal;detector;mobility;carrier concentration;dislocation density㊀㊀收稿日期:2023-10-27㊀㊀基金项目:国家重点研发计划(2021YFC2902805);2022年核能开发科研项目(HNKF202224(28))㊀㊀作者简介:顾小英(1995 ),女,贵州省人㊂E-mail:xiaoying.gu@ ㊀㊀通信作者:狄聚青,博士,正高级工程师㊂E-mail:juqing.di@ 0㊀引㊀㊀言高纯锗探测器在探测射线,尤其是χ㊁γ射线,具有能量分辨率高㊁探测效果好㊁性能稳定等不可比拟的优势[1]㊂在实际应用中,高纯锗探测器的耗尽层电压与净杂质浓度成正比[2-3]㊂若净杂质浓度较高,则探测器的全耗尽电压也较高,而探测器的实际工作电压通常还要高于全耗尽电压㊂过高的电压会造成探测器的漏电流增加,能量分辨率变差㊂若净杂质浓度过低,虽然探测器的全耗尽电压会降低,但是探测器灵敏区的电场强度也会下降,不利于载流子的有效收集[4-7]㊂通常,探测器级p 型超高纯锗单晶净杂质浓度需在498㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第53卷(5~20)ˑ109cm-3,迁移率大于2.5ˑ104cm2㊃V-1㊃s-1,位错密度100~10000cm-2,深能级杂质不大于4.5ˑ109cm-3[8-10]㊂随着我国核电工业的增长和高能物理试验的发展,对高纯锗探测器的需求量日益增大㊂国内研发超高纯锗晶体的主要单位有深圳大学㊁广东先导先进材料股份有限公司㊁云南中科鑫圆晶体材料有限公司等㊂其中,深圳大学制备出直径为20~50mm㊁净杂质浓度小于4.0ˑ1011cm-3㊁位错密度小于5000cm-2的锗单晶[1]㊂广东先导先进材料股份有限公司获得净杂质浓度5ˑ1010cm-3的锗锭[11]㊂云南中科鑫圆晶体材料有限公司获得载流子浓度小于1ˑ1011cm-3㊁电阻率大于2ˑ103Ω㊃cm㊁迁移率大于1ˑ104cm2㊃V-1㊃s-1的超高纯多晶材料[12]㊂目前,国产13N超高纯锗单晶无法满足国内需求,超高纯锗晶体仍然依靠进口㊂本文通过二氧化锗还原㊁水平区熔提纯㊁单晶提拉生长获得锗单晶,并经低温霍尔㊁位错密度㊁深能级瞬态谱等测试,结果表明晶体性能符合13N超高纯锗标准㊂1㊀实㊀㊀验1.1㊀还原、区熔提纯与晶体生长将6N二氧化锗粉放入石墨舟中,再将装有6N二氧化锗粉的石墨舟放入还原炉中,先通氮气将炉内空气置换干净,再通入氢气将炉内氮气置换干净,打开加热开关使炉内温度升至1150ħ,将二氧化锗粉还原成锗锭㊂选用电阻率大于1Ω㊃cm的还原锗锭作为水平区熔的原料,正常情况下还原锗锭电阻率均大于1Ω㊃cm㊂将锗锭进行碱腐蚀㊁清洗㊁脱水㊁吹干,放入镀好碳膜的石英舟中㊂将装有锗锭的石英舟放入水平区熔炉中,先通高纯氮气将炉内空气置换干净,再通入高纯氢气将炉内氮气置换干净,打开加热开关使温度升至980ħ,区熔30~40次,得到12N高纯锗多晶㊂将水平区熔得到载流子浓度小于2ˑ1011cm-3的高纯锗多晶作为单晶生长原料㊂先将高纯锗多晶依次泡在三氯乙烷㊁丙酮㊁甲醇中进行超声清洗10min,去除在切割中产生的有机物以及缝隙中的杂质,再进行酸腐蚀㊁清洗㊁甲醇脱水㊁高纯氮气吹干,然后将原料装入单晶炉内㊂通入高纯氮气将炉内空气置换干净,再通入高纯氢气将炉内氮气置换干净,为了排除水㊁氧等不利因素的影响,在高纯氢气流通氛围下,将温度升至400~500ħ,进行预热2~5h㊂再将温度升到1000ħ进行化料,待锗料完全熔化后,将温度降至940~970ħ,恒温30~60min,确保锗料温度以及纯度均匀分布,有利于后续生长出纯度均匀㊁低位错晶体㊂将籽晶降低至离液面1cm处,对籽晶进行预热30min,降低籽晶与液面温度差,减少籽晶插入液面时温度波动,以及引晶时位错增长㊂将籽晶缓慢插入熔体,根据熔体界面调整功率,待有一定宽度光圈出现后等待10~20min开始引晶,逐渐增大拉速至20~30mm/h,保持此拉速引晶10~30min,控制晶体直径在5~10mm;然后进行缩颈,手动增加拉速,间隔10min均匀增加拉速10~20mm/h,至拉速升至90~150mm/h,控制晶体直径稳定在3~5mm,此条件下排出了大部分位错,使得单晶位错达到500~5000cm-2;而后进行细颈,保持拉速为90~150mm/h,在此高拉速下提拉细颈,此阶段提拉长度为90~150mm㊂为了得到低位错超高纯锗晶体,放肩分两步进行,第一步分两阶段:1)均匀降拉速;2)均匀降温度㊂先控制动能后控制热能,在此条件下均匀放肩,不会产生新的位错㊂第二步先均匀降低晶转和埚转,均匀升高拉速;然后降低频率均匀降温,使得晶体放肩和等径相互衔接,晶体在此条件下会抑制界面的反转过程,防止晶体直径放肩后变细,晶体变得不规则,并防止晶体产生缺陷㊂先进行放肩一,保持拉速为90~150mm/h,在此高拉速下提拉细颈,此阶段提拉长度为90~150mm,控制功率均匀降温,降温频率为120~180W/h,放肩1~2h,晶体直径逐渐长大至50~65mm;再进行放肩二,控制功率均匀降温,降低晶转至3~5r/min,降低埚转至3~5r/min,均匀升高拉速至30~40mm/h;降温频率为80~120W/h,继续放肩1~2h,待晶体直径稳定保持在70~80mm,停止降温㊂最后进行等径,均匀恢复拉速至20~30mm/h,观察晶体直径,手动控制功率,使得晶体直径保持为70~80mm,等径过程4~6h㊂进行收尾,调低埚升至0.3~0.8mm/h,控制功率均匀降温,降温频率为100~200W/h,收尾2~3h,至石英坩埚内熔液完全拉完㊂最后进行降温,关闭晶升㊁埚升,控制功率降温至㊀第3期顾小英等:13N 超高纯锗单晶的制备与性能研究499㊀图1㊀13N 超高纯锗单晶照片Fig.1㊀Photo of 13N ultra-high purity germanium single crystal 室温㊂为了防止温度变化过快使得晶体产生位错,降温分三个阶段:第一阶段300~400W /h,降温1h;第二阶段500~600W /h,降温2h;第三阶段800~1000W /h,降温5~7h,至室温,关闭晶转㊁埚转,完成晶体提拉㊂本文通过原料处理㊁装炉㊁通气㊁预热㊁化料㊁引晶㊁缩颈㊁细颈㊁放肩㊁等径㊁收尾㊁降温,得到13N 超高纯锗单晶CZ15晶体,如图1所示㊂1.2㊀晶体检测预处理用切割机切取10mm ˑ10mm ˑ1.2mm 规格的方片样品用于霍尔检测,经过研磨㊁抛光㊁腐蚀至镜面,腐蚀液为氢氟酸㊁硝酸溶液的混合液,体积比为1ʒ4,腐蚀时间为1~3min,腐蚀温度为室温㊂用镊子在方片四个角压锡粒,然后进行退火热处理,退火氛围为高纯氮气,退火温度为500ħ,退火时间为30min,使电极合金化,可得到良好的欧姆接触㊂由于常温和低温欧姆接触有差异,同一个样品,在常温I-V 曲线是线性,在低温下不一定是线性的,为了确认电极的欧姆接触是否良好,需在常温进行一次I-V 检测,是线性后,再在低温进行一次I-V 检测,也是线性后,方可进行低温霍尔检测㊂用切割机切取5mm 厚的片用于位错密度检测,经过研磨㊁抛光㊁腐蚀至出现均匀亮点,腐蚀液为氢氟酸㊁硝酸㊁硝酸铜溶液的混合液,体积比为2ʒ1ʒ1,腐蚀时间为10min,腐蚀温度为(10ʃ5)ħ㊂用于深能级瞬态谱(deep level transient spectroscopy,DLTS)检测的样品,用切割机切取15mm ˑ15mm ˑ2mm 规格的方片,经过研磨㊁抛光㊁腐蚀至镜面,腐蚀处理与霍尔样片相同㊂p 型晶体的正面溅射圆点锡膜,作为肖特基电极,背面用锡箔连接铜片,进行退火处理,退火氛围为高纯氮气,退火温度为250ħ,时间为30min,作为欧姆电极,此处退火温度需低于300ħ,避免造成Cu 扩散㊂2㊀结果与讨论图2㊀还原锗锭电阻率数据Fig.2㊀Reduced germanium ingot resistivity data 2.1㊀常/低温电阻率检测对还原锗锭进行常温电阻率检测,每隔5cm 检测一个点,正常情况下,整根还原锗锭电阻率均大于1Ω㊃cm,均可投入水平区熔提纯,检测结果如图2所示㊂高纯锗多晶先进行常温电阻率检测,再从电阻率大于50Ω㊃cm 区域的头尾选取大块单晶粒制作成霍尔片进行低温霍尔检测㊂将高纯锗多晶放置在23ħ恒温的房间,直至高纯锗多晶冷却至(23ʃ0.5)ħ,用常温电阻率测试设备进行电阻率检测,电阻率大于50Ω㊃cm 为初步合格段㊂电阻率大于50Ω㊃cm 的产率为70%~80%,检测结果如图3所示㊂对超高纯锗单晶先进行低温电阻率检测,再从载流子浓度小于5ˑ1010cm -3区域的头尾取霍尔片进行低温霍尔检测㊂用金刚笔对照钢尺每隔2cm 做标记,然后用画笔刷蘸取铟镓锡合金,沿着标记处画薄层,使合金不呈现任何形状的液滴状㊂用铜片缠绕在锗单晶晶体放肩和收尾处作为接触电极,将缠绕好的锗单晶晶体放置在杜瓦罐里的V 型支架上㊂向杜瓦罐里充装液氮,直至没过锗单晶,等液面稳定后,合金露出液面1~2cm,可进行低温电阻率检测[11]㊂通过霍尔公式,将低温电阻率转换为载流子浓度:N =1/(ρμq ),其中ρ是测量电阻率,单位为Ω㊃cm,N 是载流子浓度,单位为cm -3,q 是单位电荷量,q =1.602ˑ10-19C,μ是迁移率,单位为cm 2㊃V -1㊃s -1㊂其中,ρ可由检测设备测得,q 为常量,μ可根据以往霍尔检测得到的迁移率值求得平均值,将p 型晶体的μ设置为42000cm 2㊃V -1㊃s -1,低温电阻率设备的迁移率μ可手动更改,可根据不断累积的霍尔检测数据定期更新㊂CZ15晶体低温电阻率检测得到的数据,如图4所示㊂500㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第53卷图3㊀多晶区熔电阻率数据Fig.4㊀Crystal overall carrier concentration data Fig.3㊀Polycrystalline zone refining resistivity data图4㊀晶体整体载流子浓度数据2.2㊀低温霍尔检测对于电阻率大于50Ω㊃cm的高纯锗多晶段,在头尾分别选取大块单晶粒制作成霍尔片,进行低温霍尔检测,直至头尾载流子浓度均小于2ˑ1011cm-3,根据检测结果,合格率为40%~60%,其中一个位置的检测结果,如图5所示㊂通过实验可知,低温电阻率测试晶体表面得到的载流子浓度偏高于低温霍尔检测得到的载流子浓度,所以在载流子浓度小于5ˑ1010cm-3的锗单晶晶体段的头尾分别取霍尔片进行低温霍尔检测,每个截面取2个片,边缘和中间各1片,直至载流子浓度小于2ˑ1010cm-3为止,其中CZ15头部一个位置的检测结果,如图6所示㊂根据低温霍尔检测结果显示:CZ15晶体合格段头部截面平均迁移率为4.515ˑ104cm2㊃V-1㊃s-1,载流子浓度为1.176ˑ1010cm-3;尾部截面平均迁移率为4.620ˑ104cm2㊃V-1㊃s-1,载流子浓度为1.007ˑ1010cm-3㊂此晶段头尾迁移率均>2.5ˑ104cm2㊃V-1㊃s-1,载流子浓度均<2ˑ1010cm-3㊂经过多次实验可知,通过水平区熔得到电阻率大于50Ω㊃cm的多晶区熔的产率为70%~80%,得到载流子浓度小于2ˑ1011cm-3的高纯锗多晶的产率为40%~60%㊂在不掺杂的情况下,通过直拉法生长,得到的超高纯锗晶体前40%~60%为p型,np转化区占10%~20%,后20%~50%为n型,p型载流子浓度小于2ˑ1010cm-3的晶体段有30~80mm㊂图5㊀多晶区熔霍尔数据Fig.5㊀Hall data of polycrystalline zone refining图6㊀单晶提拉霍尔数据Fig.6㊀Hall data of single crystal pullingium㊀第3期顾小英等:13N 超高纯锗单晶的制备与性能研究501㊀2.3㊀位错密度检测晶体位错密度使用金相显微镜进行检测,显微镜下可以看到的晶体缺陷,其中CZ15晶体载流子浓度合格段的尾部CZ15-T 截面中一个点的检测结果,如图7所示㊂由于位错密度分布均匀,可选取单晶片中对角线上的9个测量点,视场为1mm 2,用显微镜检测这9个测量点的缺陷情况㊂每个检测点视场内的腐蚀坑密度(etch pit density,EPD)是所计数的腐蚀坑总数除以面积:n d =n i /S ,式中:S 为视场面积,单位为cm 2;n i 为穿过视场面积S 的腐蚀坑数目㊂平均位错密度N d =1/9ðn d ,将9个测量点在视场1mm 2的EPD 值和N d 标注在位错记录图上㊂且将肉眼观察到的宏观缺陷标记在位错记录图上,如图8所示,从图中可看出,CZ15-T 位错密度为2589cm -2且没有其他缺陷㊂根据位错密度检测结果显示,CZ15晶体载流子浓度合格段的头部CZ15-H 位错密度为2256cm -2,尾部CZ15-T 位错密度为2589cm -2,此晶段头尾位错密度均控制在100~10000cm -2,且没有其他缺陷㊂晶体生长过程中,在其他因素稳定的情况下,可通过控制缩颈直径㊁缩颈长度㊁放肩速度来降低晶体位错密度,一般能控制在100~5000cm -2㊂图7㊀显微镜下的晶体缺陷图片Fig.7㊀Photograph of crystal defects under amicroscope 图8㊀晶体尾位缺陷数据Fig.8㊀Crystal tail defect data 2.4㊀深能级杂质浓度检测深能级杂质在半导体中引入的能级位于禁带中央附近,远离导带底(或价带顶),有以下特点:深能级杂质电离能大,施主能级远离导带底,受主能级远离价带顶,不容易电离,对载流子浓度影响不大;一般会产生多重能级,甚至既产生施主能级也产生受主能级;能起到复合中心作用,使少数载流子寿命降低;深能级杂质电离以后为带电中心,对载流子起散射作用,使载流子迁移率减小,导电性能下降㊂13N 超高纯锗单晶深能级杂质主要是Cu,p 型超高纯锗要求深能级杂质浓度不大于4.5ˑ109cm -3㊂使用深能级瞬态谱仪对高纯锗晶体CZ15载流子浓度和位错密度均合格晶段的头部进行深能级杂质浓度检测,得到DLTS 谱图,如图9所示,对测试结束进行峰值拟合,拟合结果如表1所示㊂从表中可看出在陷阱深度0.042eV 中捕获到的Cu s 浓度为9.40ˑ108cm -3,在陷阱深度0.072eV 中捕获到的Cu-H 浓度为3.17ˑ108cm -3,在陷阱深度0.170eV 中捕获到的Cu-H 浓度为5.22ˑ108cm -3,在陷阱深度0.304eV 中捕获图9㊀13N p 型超高纯锗DLTS 谱图Fig.9㊀13N p-type ultra-high purity germanium DLTS spectrum 到的Cu s 浓度为6.37ˑ107cm -3,没有捕获到Cu-H-Li,通过多次检测可知,不同样品同类陷阱深度会在一定范围内波动㊂经过多次检测发现,载流子浓度和晶体缺陷都会影响样片的充放电,从而影响峰值,所以在进行p 型超高纯锗晶体DLTS 检测前,先进行低温霍尔和位错检测,在载流子浓度小于2ˑ1010cm -3,位错密度为100~10000cm -2的晶段头部取样片,进行DLTS 检测㊂本文生长出的CZ15晶体头部深能级杂质浓度为1.843ˑ109cm -3,符合13N p 型超高纯锗深能级指标要求㊂以上检测显示CZ15晶段符合13N 超高纯锗指标,对晶段进行测量,此晶段长度为45mm,直径为76mm,质量为1095g㊂502㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第53卷表1㊀13N p型超高纯锗DLTS拟合结果Table1㊀Fitting results of13N p-type ultra-high purity germanium DLTSImpurity centerΔE/eV Sigma/cm2N T/cm-3Cu s(1)0.042 3.80ˑ10-179.40ˑ108Cu-H(1)0.072 1.52ˑ10-20 3.17ˑ108Cu-H-Li0.16000Cu-H(2)0.170 1.88ˑ10-15 5.22ˑ108Cu s(2)0.3047.31ˑ10-14 6.37ˑ1073㊀结㊀㊀论本文通过二氧化锗还原㊁水平区熔提纯㊁直拉法生长得到13N超高纯锗单晶,其长度为45mm,直径为76mm,质量为1095g,头部截面平均迁移率为4.515ˑ104cm2㊃V-1㊃s-1,载流子浓度为1.176ˑ1010cm-3,位错密度为2256cm-2,尾部截面平均迁移率为4.620ˑ104cm2㊃V-1㊃s-1,载流子浓度为1.007ˑ1010cm-3,位错密度为2589cm-2,头部深能级杂质浓度为1.843ˑ109cm-3㊂此晶体的迁移率㊁载流子浓度㊁位错密度㊁深能级杂质浓度指标均达到了探测器级的使用标准,尺寸也达到了同轴探测器的使用标准㊂参考文献[1]㊀白尔隽,郑志鹏,高德喜,等.高纯锗探测器的广泛应用和自主研制进展[J].原子核物理评论,2016,33(1):52-56.BAI E J,ZHENG Z P,GAO D X,et al.Extensive application and independent research progress of HPGe detector[J].Nuclear Physics Review,2016,33(1):52-56(in Chinese).[2]㊀郝㊀昕,孙慧斌,赵海歌,等.高纯锗多晶材料区熔速度优化的数值模拟[J].深圳大学学报(理工版),2016,33(3):248-253.HAO X,SUN H B,ZHAO H G,et al.Numerical simulation on optimization of zone melting speed of high-purity germanium polycrystalline materials[J].Journal of Shenzhen University Science and Engineering,2016,33(3):248-253(in Chinese).[3]㊀王国干,姚建亚.对国产高纯锗单晶纯度的估计[J].核电子学与探测技术,1987,7(1):59-61.WANG G G,YAO J Y.Estimation of purity of high-purity germauium crystal made in China[J].Nuclear Electronics&Detection Technology, 1987,7(1):59-61(in Chinese).[4]㊀孙雪瑜.高纯锗单晶质量对核辐射探测器的影响[J].稀有金属,1985,9(3):42-49.SUN X Y.Influence of high purity germanium single crystal quality on nuclear radiation detector[J].Chinese Journal of Rare Metals,1985,9(3):42-49(in Chinese).[5]㊀刘㊀锋,耿博耘,韩焕鹏.辐射探测器用高纯锗单晶技术研究[J].电子工业专用设备,2012,41(5):27-31.LIU F,GENG B Y,HAN H P.Research of ultra-purity germanium single crystal s technology for radiation detector[J].Equipment for Electronic Products Manufacturing,2012,41(5):27-31(in Chinese).[6]㊀白尔雋,姜仪锡,苏荫权,等.超高纯锗多晶材料的制备[J].吉林大学自然科学学报,1988,26(3):89-90.BAI E J,JIANG Y X,SU Y Q,et al.Preparation of ultra-pure germanium polycrystalline material[J].Journal of Jilin University,1988,26(3):89-90(in Chinese).[7]㊀白尔隽.高纯锗多晶材料的制备[J].核技术,1998,21(9):558-561.BAI E J.Preparation of high purity germanium polycrystalline materials[J].Nuclear Techniques,1998,21(9):558-561(in Chinese). 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锗的热导率-概念解析以及定义

锗的热导率-概述说明以及解释1.引言锗是一种重要的半导体材料，具有优良的热导率特性。

热导率是材料传导热量的能力，对于锗来说，其热导率在不同温度下具有不同的数值。

本文将从锗的热导率定义、影响因素以及应用方面进行全面的介绍和分析，以期能更深入地了解锗在热导领域的作用和潜力。

望未来锗热导率研究方向": {}}}}请编写文章1.1 概述部分的内容1.2 文章结构文章结构部分内容如下：文章结构部分旨在介绍本文的整体结构安排，包括每个部分的主要内容和重点方向。

本文分为引言、正文和结论三个部分。

引言部分包括概述、文章结构和目的三个小节。

在概述部分将介绍锗的基本信息和热导率的重要性，文章结构部分将简要阐述各部分的内容和逻辑顺序，目的部分则说明本文的研究目标和意义。

正文部分包括锗的热导率定义、锗的热导率影响因素和锗的热导率应用三个小节。

在热导率定义部分将介绍锗的热导率的概念和计量方法，热导率影响因素部分将探讨影响锗热导率的各种因素，包括材料结构、温度和杂质掺杂等，热导率应用部分将介绍锗热导率在实际应用中的重要性和潜在价值。

结论部分包括总结锗的热导率特性、锗在热导领域的潜在作用和展望未来锗热导率研究方向三个小节。

在总结锗的热导率特性部分将总结本文对锗热导率的相关研究成果，锗在热导领域的潜在作用部分将探讨锗在新材料和热管理领域的潜在应用价值，展望未来锗热导率研究方向部分将展望未来锗热导率研究的发展方向和趋势。

1.3 目的：本文旨在全面介绍锗的热导率特性，包括其定义、影响因素和应用。

通过对锗热导率的深入探讨，旨在加深对该材料在热导领域中的重要性和潜在作用的理解。

另外，本文还将展望未来锗热导率研究的方向，为相关领域的科研工作者提供参考和启发。

通过本文的阐述，期望能够为锗热导率相关研究领域的学术探讨和实际应用提供有益的参考和指导。

2.正文2.1 锗的热导率定义:锗是一种重要的半导体材料，具有良好的热导性能。

热导率是衡量材料导热性能的一个重要参数，它表示单位厚度和单位温度梯度下单位面积上的热流量。

锗晶体-介绍

锗晶体介绍：锗的物理性质锗的物理性质锗是银白色晶体(粉末状呈暗蓝色)，熔点937.4℃，沸点2830℃，密度5.35g/cm³，莫氏硬度6.0～6.5，室温下，晶态锗性脆，可塑性很小。

锗具有半导体性质，在高纯锗中掺入三价元素(如铟、镓、硼)、得到P型锗半导体；掺入五价元素(如锑、砷、磷)，得到N型锗半导体。

化合价为+2和+4。

第一电离能7.899电子伏特。

锗有着良好的半导体性质，如高电子迁移率和高空穴迁移率等。

晶体结构：晶胞为面心立方晶胞，每个晶胞含有四个金属原子。

据X射线研究证明，锗晶体里的原子排列与金刚石差不多。

结构决定性能，所以锗与金刚石一样硬而且脆。

锗的化学性质锗的化学性质锗化学性质稳定，不溶于水、盐酸、稀苛性碱溶液。

在常温下不与空气或水蒸气作用，但在600～700℃时，与氧气反应能很快生成二氧化锗。

在加热情况下，锗能在氧气、氯气和溴蒸气中燃烧。

锗与盐酸、稀硫酸不起作用，但浓硫酸在加热时，锗会缓慢溶解。

在硝酸、王水中，锗易溶解。

碱溶液与锗的作用很弱，但熔融的碱在空气中，能使锗迅速溶解。

锗易溶于熔融的氢氧化钠或氢氧化钾，生成锗酸钠或锗酸钾。

在过氧化氢、次氯酸钠等氧化剂存在下，锗能溶解在碱性溶液中，生成锗酸盐。

锗的氧化态为＋2和＋4。

锗与碳不起作用，所以在石墨坩埚中熔化，不会被碳所污染。

光学级锗晶体(单晶和多晶)是目前红外透射材料中应用最广泛的材料之一。

它具有宽的红外透射波段(可在3~5μm和8~12μm两波段使用),机械强度高,不易潮解,化学性能稳定等特点,因而是制作红外光学透镜和窗口的良好材料,多数用于热像仪和低功率CO2激光器窗口。

但在使用中,仍要求锗晶体的直径要足够大,透过率要高以及折射率均匀性要好,成本要低。

随着科技的不断进步，激光以及红外技术得到了极其迅猛的发展，光学级锗晶体(单晶和多晶)是目前红外透射材料中应用最广泛的材料之一，因其在红外光学中的卓越性能引起了红外光学行业的重视，它具有宽的红外透射波段(可在3~5μm和8~12μm两波段使用),是制作红外光学透镜和窗口的良好材料,多数用于热像仪和低功率CO2激光器窗口。

石墨烯与锗衬底界面结构的第一性原理研究

石墨烯与锗衬底界面结构的第一性原理研究／史晓华等
・１３７・
石墨烯与锗衬底界面结构的第一性原理研究
史晓华，王刚，郭庆磊，张苗，狄增峰
（中国科学院上海微系统与信息技术研究所，信息功能材料国家重点实验室，上海２０００５０）
ｔａｎｅｅｂｅｔｗｅｅｎｇｒａｐｈｅｎｅａｎｄＨ— ｐａｓｓｉｖａｔｅｄＧｅｓｕｂｓｔｒａｔｅｗａｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｗｈｉｌｅｉｔｓｉｎｔｅｒｆａｃｅｂｉｎｄｉｎｇｅｎｅｒｇｙｗａｓｄｅｃｒｅａｓｅｄ．ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｃｌｅａｎＧｅｓｕｂｓｔｒａｔｅ．ＴｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｇｒａｐｈｅｎｅａｎｄＧｅｓｕｂｓｔｒａｔｅｃｏｕｌｄｂｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｓｈｉｅｌｄｅｄｂｙ
ＩｎｔｅｒｆａｃｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅＢｅｔｗｅｅｎＧｒａｐｈｅｎｅａｎｄＧｅＳｕｂｓｔｒａｔｅｆｒｏｍ
Ｆｉｒｓｔ — ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ
摘要采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理，研究石墨烯与Ｇｅ衬底之间的界面结构。计算结果表明，

锗的五元环-概述说明以及解释

锗的五元环-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述：锗是一种化学元素，其化学符号为Ge，原子序数为32。

它属于碳族元素，与碳、硅等元素存在一定的相似性。

作为一种半金属，锗具有特殊的电学、光学及热学性质。

锗在自然界中主要以矿物锗石的形式存在，同时也在很多金属矿石中发现。

由于其特殊的物理和化学性质，锗在现代科学技术领域有着广泛的应用。

在过去的几十年中，锗的研究取得了显著的进展。

人们发现，锗可以形成多种不同的化合物和化学键型，其中五元环化合物是其中一种重要的结构类型。

锗的五元环化合物具有独特的稳定性和化学活性，因此引起了许多科学家的关注。

本文将对锗的五元环化合物进行详细研究和探讨。

首先，将介绍锗的基本性质，包括其物理性质、化学性质以及在自然界中的分布情况。

然后，将阐述锗的化学反应，特别是与其他元素的反应，以及这些反应过程中所产生的化合物。

最后，我们将探讨锗五元环的合成方法和相关的研究进展，以及锗五元环在各个领域中的应用前景。

通过对锗五元环的研究，我们可以更深入地了解这种化合物的特性和性质，为其应用领域的发展提供更加坚实的基础。

同时，通过探索锗五元环的合成方法，我们也能够为锗化学的发展做出积极的贡献。

相信通过本文的阐述，读者可以对锗五元环有更全面、深入的认识，并对其重要性和应用前景有更清晰的了解。

1.2文章结构文章结构部分的内容应包括本文的主要章节和每个章节的内容概述。

在本文中，文章结构可根据目录分为以下部分：1. 引言- 1.1 概述：介绍整篇文章的背景和内容。

- 1.2 文章结构：概述本文的章节安排和各个章节的内容。

- 1.3 目的：说明撰写本文的目标和意义。

2. 正文- 2.1 锗的基本性质：详细介绍锗元素的物理性质、化学性质、结构特点等相关内容。

- 2.2 锗的化学反应：探讨锗在不同环境下的化学反应和反应机理，包括与其他元素的反应、氧化还原反应等。

- 2.3 锗的合成方法：介绍锗的合成方法、制备工艺和优化研究，包括物理、化学方法等。

6英寸低位错锗单晶生长热场设计

文献标志码:A
文章编号:1000-985X(2021)06-0979-08
Design of Thermal Field for 6-Inch Low Dislocation
Germanium Single Crystal Growth
CHEN Chen, ZHAO Kun, HAN Huanpeng
摘要:锗片作为衬底材料已在空间太阳电池领域得到广泛的应用,新型锗基空间太阳能电池对锗片的需求由 4 英寸
(1 英寸 = 2. 54 cm) 提高到 6 英寸后,低位错锗单晶的生长难度增大。本文设计开发了一种适用于直拉法生长大尺
寸、低位错锗单晶的双加热器热场系统,模拟研究了不同形状主加热器的热场分布,从而得到最优的热场环境。研究
长 GaInP / GaAs / Ge 正向晶配结构,其后对背面进行减薄,依次光刻镀上电极、蒸镀下电极、划片、蒸镀减反射膜[3-5] 。
当前,我国新一代多用途飞船正在进行论证和研制,其对电源系统提出了更大功率、更低成本的要求,太阳
电池因此对锗片的需求由 4 英寸(1 英寸 = 2. 54 cm)提高到 6 英寸,以提高电池均匀性和降低电池成本。 6 英寸锗
时,要求径向温度梯度小于 5. 1 ℃ / cm,轴向温度梯度小于 5. 4 ℃ / cm;当位错密度接近 0 时,则温度梯度更
小。为确保单晶位错尽量低,实际热场设计按照 0 位错水平来进行,即要求径向温度梯度小于0. 4 ℃ / cm,轴பைடு நூலகம்
向温度梯度小于 0. 7 ℃ / cm。
表 1 位错密度和温度梯度关系表
980
人工晶体学报
研究论文
第 50 卷
垂直梯度凝固法 [8] 及直拉法生长 4 英寸无位错锗单晶。近年来,国内采用直拉法已能够制备出 6 英寸锗单

锗的功函数

锗的功函数一、什么是锗？锗（Germanium）是一种化学元素，其化学符号为Ge，原子序数为32，属于碳族元素，也是周期表中的一员。

它的物理性质与硅非常相似，但在电学性能方面更接近金属。

锗是一种典型的半导体材料，具有优异的热电性能和光电效应。

锗在很多领域都有广泛的应用。

二、功函数的定义功函数（work function）是指从一个材料中移除一个电子所需的最小能量。

由于电子的行为受到材料的影响，不同材料的功函数也不同。

功函数是描述材料电子能级分布的一个重要参数，它对材料的电学性质和光电性能具有重要影响。

三、锗的功函数特性锗作为一种半导体材料，其功函数具有一些特殊的性质。

1. 非晶锗的功函数较低非晶锗是一种无定型的锗材料，其功函数较低。

非晶锗的功函数通常在3.8-4.0eV之间。

这是由于非晶材料的电子构型较为松散，容易进行电子迁移，因此功函数较低。

2. 单晶锗的功函数较高与非晶锗相比，单晶锗的功函数较高。

单晶锗的功函数大约在4.3-4.6 eV之间。

这是由于单晶材料的晶格结构较为紧密，电子束缚较强，因此移除一个电子所需的能量较高。

四、锗功函数对器件性能的影响锗的功函数对器件的电学性能和光电性能有着重要的影响。

以下是几个具体的示例：1. 锗光探测器锗光探测器是一种常见的光电器件，其工作原理是利用锗的光电效应将光信号转化为电信号。

光电探测器的性能与锗的功函数密切相关。

功函数较低的锗材料可以吸收更多的光子能量，从而提高探测器的灵敏度。

2. 锗太阳能电池锗太阳能电池是一种利用光电效应将太阳能转化为电能的器件。

功函数较低的锗材料可以提高电池的光电转换效率。

此外，锗的高热电性能也可以将太阳能转化为热能，进一步提高电池的效率。

3. 锗场效应管锗场效应管是一种常用的电子器件，其性能与锗的功函数密切相关。

功函数较低的锗材料可以降低电极与材料的电子势垒，提高场效应管的导电性能和响应速度。

五、结论锗是一种重要的半导体材料，具有优异的热电性能和光电效应。

单晶锗各向异性力学性能实验

HENANKEJI·CHUANGXINQUDONG 2016.11单晶锗各向异性力学性能实验周航（长春理工大学，吉林长春130000）摘要：单晶锗作为一种重要的半导体材料，在我国机电系统发展以及电路系统的优化升级中扮演着关键性的角色。

为了充分发挥单晶锗在推动半导体产业发展，满足社会经济发展需求方面的作用，需要相关科技工作者对单晶锗（100）（110）（111）的各向异性力学性能进行全面的试验探究，对其实用性与加工性进行分析，促进单晶锗在实践中的有序使用。

基于此，以纳米压痕实验为主要试验手段，对单晶锗（100）（110）（111）在试验过程中所表现出来的硬度及弹性模量等进行记录，以期为其力学性在实践中的应用提供理论参考。

关键词：单晶锗；各向异性；纳米压痕实验；力学性能中图分类号：TN304.11文献标识码：A文章编号：1003-5168（2016）11-0127-03Experiment of Anisotropic Mechanical Properties of Single Crystal GermaniumZhou Hang（Changchun University of Science and Technology ，Changchun Jilin 130000）Abstract:Single crystal germanium,as an important semiconductor material,plays a key role in the optimization and upgrading of China's electromechanical system development as well as the circuit of the system.In order to give full play to the role of single crystal germanium in promoting the development of semiconductor industry and meeting the needs of social and economic development,the related scientific and technical workers need to carry out a compre⁃hensive experimental study on the anisotropic mechanical properties of single crystal germanium (100),(110),(111),analyzed the practicality and the processing to promote the orderly use of single crystal germanium in practice.Based on this,taking nano indentation experiment as the experimental means,the hardness and elastic modulus of singlecrystal germanium (100),(110),(111)shown in the test was recorded,to provide a theoretical reference for the appli⁃cation of its mechanical properties in practice.Keywords:single crystal germanium ；anisotropy ；nano indentation experiment ；mechanical property 随着科技的不断进步，人们对材料的研发与应用能力不断增强，新的材料不断涌现，并被应用于实际生产与生活中。

锗基锂离子电池负极材料的设计、制备及其储锂性能研究

锗基锂离子电池负极材料的设计、制备及其储锂性能研究随着环境和能源矛盾的日益突显,开发环境友好、能量密度高、循环寿命长、安全系数大的储能电子器件成为各国学者研究的热点。

近年来,锗基材料由于其优异的容量特性、高的能量密度和良好机械性能,被认为是用于锂离子电池很有潜力的新型复合电极。

基于此,本文以锗元素为构筑单元,设计制备出多种锗基材料,研究其作为锂离子电池负极材料的储锂性能。

研究发现,锗基材料的储锂性能较好、可逆容量较高、循环稳定性较好等。

硕士期间的工作主要分以下三部分:1、锗基材料的高理论容量十分适用于高性能锂离子电池的新型负极材料。

但是,锗基材料体积膨胀较大的特性会导致电极材料容量衰减迅速。

本研究以（Hbipy）2[Ge（C2O4）3]·2H2O晶体为前驱体,在空气气氛中500℃热解制备多孔GeO2纳米颗粒。

作为锂离子电池负极材料,比商业GeO2微粒表现出更优异的电化学性能。

多孔GeO2纳米颗粒的首圈放电容量高达2578.8 mA hg-1,100次循环后仍保持581.9mA h g-1。

即使在2 A g-1的大电流密度下,仍然有184.2 mA h g-1的可逆放电容量。

优异的储锂性能可归因于纳米级颗粒,多孔结构和低结晶性的协同效应,对GeO2纳米颗粒的巨大体积膨胀起到缓冲作用,有利于循环过程中锂离子的快速扩散。

锗纳米管团簇的第一性原理研究

锗纳米管团簇的第一性原理研究锗纳米管团簇的第一性原理研究引言：纳米材料近年来引起了研究人员的广泛关注。

其中，纳米管是一种形状独特且具有特殊性能的纳米材料。

锗纳米管团簇作为一种新型纳米结构，具有优异的电子、光学和力学性质，因此显示出巨大的潜力在纳米器件的制造领域中得到应用。

本文旨在使用第一性原理计算方法，深入研究锗纳米管团簇的物理和化学性质，以及其潜在应用。

方法：本研究使用了第一性原理的密度泛函理论（DFT）方法，基于平面波基组和赝势进行模拟计算。

我们选取了不同直径和长度的锗纳米管团簇进行研究。

首先，通过几何优化，我们得到了团簇的最稳定结构。

接着，我们计算了团簇的电子能级结构，包括能带结构和态密度。

此外，我们还研究了团簇的光学性质，如吸收光谱和能带结构随着光子能量的变化情况。

最后，通过分子动力学模拟，在不同的温度下研究了团簇的热力学性质。

结果与讨论：通过计算，我们得出了锗纳米管团簇的能带结构和密度状态，发现了一些有趣的结果。

例如，我们发现团簇的带隙随着直径的减小呈现出非线性变化，这与金刚石结构的体块材料不同。

此外，我们还观察到了团簇的带底和带顶的特殊性质。

其吸收光谱的计算结果表明，团簇在紫外光范围内有较高的吸收率，并且吸收峰随着直径的增大而蓝移。

这些结果对于锗纳米管团簇在光电子器件中的应用具有重要意义。

此外，我们的研究还发现了团簇的热稳定性随着温度的升高而降低，这提示了合成和制备高稳定性锗纳米管团簇的挑战。

结论：本研究使用第一性原理方法对锗纳米管团簇进行了全面的研究。

通过计算团簇的能带结构、吸收光谱和热稳定性，我们得出了一些有趣的结果，并揭示了锗纳米管团簇的一些重要性质。

这些研究结果对于理解锗纳米管团簇的物理和化学性质，以及其潜在应用具有重要意义。

未来的研究可以进一步深入研究锗纳米管团簇的电子输运性质和器件性能，以推动其在纳米电子领域的应用。

同时，发展合成高稳定性的锗纳米管团簇的方法也是一个有挑战性的课题综上所述，我们通过第一性原理方法对锗纳米管团簇进行了全面的研究，并得出了一些有意义的结果。

基于第一性原理的Ⅳ主族新型半导体材料的物性研究

基于第一性原理的Ⅳ主族新型半导体材料的物性研究基于第一性原理的Ⅳ主族新型半导体材料的物性研究引言随着信息技术的迅猛发展，对新型半导体材料的需求不断增加。

作为半导体行业的关键材料之一，Ⅳ主族元素如碳(C)、硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)和石墨烯等材料成为集电子学、光电子学和能源转换等领域的研究热点。

对于这些Ⅳ主族新型半导体材料的物性研究，基于第一性原理方法成为当前最为有效的研究手段之一。

本文将详细介绍基于第一性原理的Ⅳ主族新型半导体材料的物性研究进展，并展望其未来的应用前景。

第一性原理方法简介第一性原理方法是一种基于量子力学原理的计算方法，可以从头计算得到材料的电子结构和物理性质。

该方法的关键在于解Schrödinger方程，通过求解该方程中的电子波函数和能量本征值，可以得到电子态密度、带结构、能带间隙、晶格振动等与材料物性相关的信息。

第一性原理方法通过基于密度泛函理论(DFT)的计算模拟，成为探索新型半导体材料的物性的重要方法。

Ⅳ主族新型半导体材料的物性研究进展1. C材料碳材料以其特殊的化学成分和物理性质成为研究的焦点之一。

基于第一性原理的研究表明，碳材料可以具有多种不同结构和性质。

例如，石墨烯具有优异的电导率和热传导率，可用于高性能电子器件的制备。

纳米碳管具有较高的力学强度和导电性，广泛应用于纳米器件和催化剂。

此外，纳米碳材料也显示出优异的光学和电化学性能。

2. Si材料硅是最常用的半导体材料，其电子学性能以及与其他材料的界面特性一直是研究的焦点。

通过第一性原理方法的研究，可以揭示硅材料的带隙、晶格振动、界面能带对齐等物性信息，为其在电子学领域的应用提供理论指导。

此外，通过对硅材料的掺杂和合金化等调控方法，可以进一步提高其电子传输性能，拓宽其应用领域。

3. 其他Ⅳ主族材料除了碳和硅，锗和锡等Ⅳ主族材料也受到广泛关注。

基于第一性原理方法的研究表明，锗材料具有优异的光学和电子学性能，在光电子器件和能源转换等领域具有潜在应用。

《2024年新型拓扑半金属锗异构相的计算研究》范文

《新型拓扑半金属锗异构相的计算研究》篇一一、引言随着科技的不断进步，新型材料的研究成为了科学界的前沿领域。

其中，拓扑半金属材料因其独特的电子结构和物理性质，在电子学、磁学和光学等领域具有广泛的应用前景。

锗作为一种重要的半导体材料，其异构相的研究对于丰富拓扑半金属材料的种类和性质具有重要意义。

本文以新型拓扑半结构锗异构相为研究对象，通过计算研究其电子结构和物理性质，为相关应用提供理论支持。

二、研究背景及意义锗作为一种典型的半导体材料，具有优异的电学性能和热学性能。

近年来，随着拓扑材料研究的深入，人们发现锗在某些特定条件下可以表现出拓扑半金属的性质。

拓扑半金属材料因其独特的电子结构和优异的物理性质，在自旋电子学、超导等领域具有广阔的应用前景。

因此，对锗的异构相进行研究，不仅可以丰富拓扑半金属材料的种类和性质，还可以为相关应用提供理论支持。

三、研究方法本研究采用密度泛函理论（DFT）方法，通过第一性原理计算，对新型拓扑半金属锗异构相的电子结构和物理性质进行研究。

首先，建立锗的异构相模型；其次，运用DFT方法对模型进行计算，得到电子结构和能带结构等信息；最后，分析计算结果，得出结论。

四、计算结果与分析1. 电子结构分析通过对锗的异构相进行计算，我们发现其具有独特的电子结构。

在费米能级附近，存在明显的能级交叉和自旋极化现象，表明其具有拓扑半金属的性质。

此外，我们还发现异构相的电子结构与常规锗相比有所不同，这可能是由于其晶体结构的改变所导致的。

2. 能带结构分析能带结构是描述材料电子状态的重要参数。

通过计算，我们发现锗的异构相具有特殊的能带结构。

在特定的能量范围内，能带存在明显的自旋分裂现象，这与拓扑半金属的性质相符。

此外，我们还发现异构相的能带结构与常规锗相比有所不同，这可能与异构相的晶体结构和化学键有关。

3. 物理性质分析根据计算结果，我们得出锗的异构相具有较高的电导率和热导率。

此外，由于其独特的电子结构和能带结构，使得其可能具有较好的自旋极化效应和光学性能。

锗冶炼中的冶金反应动力学

实验验证
通过实验测定还原反应的动力学数据，验证动力学模型的准确性。
锗的挥发反应动力学分析
挥发反应
在特定条件下，锗以气态形式从熔融态或溶液中挥发出来。
挥发机制
研究锗的挥发机制，包括挥发温度、挥发速率等，有助于提高锗的提取效率。
实验方法
通过实验测定锗的挥发温度和挥发速率，分析挥发反应的动力学特性。
循环利用冶炼渣
通过反应动力学分析，可以探索从冶炼渣中进一步提取锗的方法，从而实现锗的高效回收和循环利用。
控制锗冶炼过程中的环境污染
减少有害气体排放
基于反应动力学原理，优化锗冶炼过程中的气体排放控制，降低有害气体的产生和排放。
降低废水排放
通过反应动力学分析，可以优化废水处理工艺，降低废水中有害物质的含量，减轻对环境的污染。
05反应动力学在锗Fra bibliotek炼过程中的应用
优化锗冶炼工艺参数
1 2 3
确定适宜的反应温度
通过研究反应动力学，可以确定在一定条件下，锗冶炼反应的最佳温度范围，从而提高锗的提取率和纯度。
控制反应时间
根据反应动力学模型，可以确定达到最佳锗提取效果所需的反应时间，避免过长的反应时间导致能耗增加和设备腐蚀。
锗冶炼中的冶金反应动力学是研究锗在高温、高压条件下与不同介质发生的化学反应速率和反应机制的重要学科，对于提高锗的冶炼效率和产品质量具有重要意义。
国内外研究现状
国外对锗冶炼中的冶金反应动力学研究起步较早，已经取得了一定的研究成果。国内在这方面的研究相对较少，但随着锗需求的增加和冶炼技术的进步，国内的研究也在逐步加强。
感谢您的观看
THANKS
减少固体废弃物产生
基于反应动力学原理，优化锗冶炼工艺，减少固体废弃物的产生，提高资源利用率。

单晶体锗太阳能电池的制备及性能研究

单晶体锗太阳能电池的制备及性能研究第一章：引言随着环境保护意识的不断增强和全球能源需求的日益增加，太阳能作为一种绝佳的清洁能源资源逐渐受到人们的重视。

同时，人类也在不断研究和探索新型的太阳能电池技术，包括单晶体锗太阳能电池。

本文将着重探讨单晶体锗太阳能电池的制备及性能研究。

第二章：单晶体锗太阳能电池原理单晶体锗太阳能电池主要利用了锗材料的优异光电特性。

其具体原理是：利用锗材料的带隙结构，将太阳光辐射的能量转化成电能的过程。

当太阳光辐射到锗材料表面时，其中一部分光子会被吸收，并把能量传递给锗材料上物质的电子，电子从价带跃迁到导带或者能量带。

通过光伏效应，形成电场，产生电流，实现太阳能的转化。

第三章：单晶体锗太阳能电池的制备单晶体锗太阳能电池的制备工艺相对较为复杂。

下面将详细介绍一下其制备过程：1.制备锗晶体通过炉内雏形法、炉内生长法等方法制备锗晶体，形成单晶锗材料。

2.制备电极将锗材料进行切割、打磨、腐蚀等处理，制备电极。

3.涂覆反射膜在锗材料表面涂覆一层反射膜，以提高太阳能的吸收率。

4.均匀沉积将锗材料和电极通过均匀沉积的方式进行连接。

5.表面抛光通过抛光等处理方式，使得锗材料表面尽可能平整，有效提高太阳能的转化效率。

第四章：单晶体锗太阳能电池的性能研究单晶体锗太阳能电池具有以下几个优点：1. 具有高光电转化效率，相对于其他太阳能电池，转化效率可以提高10%以上。

2. 单晶体锗材料具有良好的导电性和材料稳定性，这意味着其可以在不同的工作条件下都能够具有良好的性能表现。

3. 单晶体锗太阳能电池具有较长的使用寿命，这有助于有效的降低生产成本。

4. 单晶体锗太阳能电池体积较小、重量较低，方便携带和使用。

基于以上几点优点，单晶体锗太阳能电池的性能研究也得到了广泛的关注。

通过实验和模拟仿真等方式，研究人员进一步优化了这种太阳能电池的性能，例如，提高了锗材料对于太阳能波段的吸收率；优化了锗电极的电极化学性质；制备了具有更高填充因子的太阳能电池等等。

锗在超导的使用方法

锗在超导的使用方法锗是一种半导体材料，具有良好的超导特性。

在超导领域，锗主要用于制造超导器件和研究超导性质。

本文将详细介绍锗在超导中的使用方法。

1.锗的超导性质：锗是一种p型半导体，其晶体结构呈现六方密堆积。

锗的超导转变温度（Tc）相对较低，一般在4-10K之间，取决于杂质浓度和晶格纯度。

锗的超导性质主要由杂质浓度和其他掺杂元素的影响。

2.锗基超导材料的制备：锗基超导材料通常通过化学气相沉积（CVD）或物理气相沉积（PVD）等方法在单晶或多晶锗基片上生长。

在制备过程中，锗基片通常需要经过表面预处理，如化学清洗和热退火，以提高超导材料的质量。

3.锗超导器件的制造：锗超导器件通常采用微细加工技术，如光刻、蚀刻和沉积等。

另外，为了提高器件的性能，还需要对锗超导材料进行局部处理，如掺杂、形状调控和微结构设计等。

4.锗超导器件的性能研究：锗超导器件的性能研究主要包括超导转变温度的测量和电阻-温度特性的测量。

超导转变温度可以通过磁滞回线和直流磁化率等方法来确定。

电阻-温度特性是评价锗超导性能的重要参数，可以通过四探针测量或其他电学测试方法来获得。

5.锗在低温实验中的应用：由于锗的超导性质适用于低温环境，因此锗广泛应用于低温实验中。

锗超导材料可以用于制造超导量子干涉仪、超导磁力计和超导谐振器等低温实验器件。

同时，锗还可用于制造低温测量设备，如温度计和热电偶等。

6.锗在量子计算中的应用：量子计算是目前研究的热点领域之一，锗作为一种半导体材料，在量子计算中具有广泛的应用价值。

锗的超导特性可用于制造超导量子比特，实现量子态的存储和操控。

此外，锗还可以应用于量子间隙系统、量子纠缠和量子通信等领域。

总结：锗作为一种半导体材料，具有良好的超导性质，在超导领域有着广泛的应用。

锗超导材料的制备和器件制造需要采用微细加工技术，并对材料进行局部处理，以提高器件的性能。

在低温实验和量子计算中，锗的超导性质为开展相关研究提供了重要的基础。

《2024年新型拓扑半金属锗异构相的计算研究》范文

《新型拓扑半金属锗异构相的计算研究》篇一一、引言随着计算物理与材料科学技术的快速发展，新型拓扑材料逐渐成为材料科学研究的前沿领域。

拓扑半金属作为一种独特的材料体系，因其独特的电子结构和物理性质，在电子学、磁学和光学等领域具有广泛的应用前景。

近年来，锗作为一种典型的半导体材料，其异构相的拓扑半金属特性也逐渐被研究者们所关注。

本文利用第一性原理计算方法，对新型拓扑半金属锗异构相进行了深入的研究。

二、计算方法与模型本研究采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，利用VASP软件包进行计算。

首先，我们构建了锗的多种异构相模型，然后通过优化晶格常数和原子位置，得到稳定的结构模型。

接着，我们利用投影波方法计算了体系的电子结构、能带结构和拓扑性质。

三、结果与讨论1. 结构特性通过优化计算，我们得到了锗的多种异构相的稳定结构。

结果表明，不同异构相的锗具有不同的晶格常数和原子排列方式，这些因素将影响其电子结构和物理性质。

2. 电子结构与能带结构计算得到的电子结构和能带结构表明，锗的异构相具有特殊的电子结构和能带结构，其中一些异构相表现出半金属特性。

半金属特性使得锗异构相在自旋电子学和磁学等领域具有潜在的应用价值。

3. 拓扑性质我们进一步计算了锗异构相的拓扑性质。

结果表明，某些异构相具有非平凡的拓扑态，如狄拉克半金属、外尔半金属等。

这些非平凡的拓扑态使得锗异构相在拓扑电子学和自旋电子学等领域具有广泛的应用前景。

四、结论本研究通过第一性原理计算方法，对新型拓扑半金属锗异构相进行了深入的研究。

结果表明，锗的异构相具有特殊的电子结构、能带结构和拓扑性质。

其中一些异构相表现出半金属特性，甚至具有非平凡的拓扑态。

这些发现为锗异构相在电子学、磁学、光学和拓扑电子学等领域的应用提供了新的思路和方向。

五、展望尽管本研究取得了一定的成果，但仍有许多问题需要进一步研究。

例如，如何通过实验手段制备出稳定的锗异构相？其物理性质如何受到外界条件（如温度、压力等）的影响？此外，锗异构相在实际应用中的性能优化和潜在应用领域也需要进一步探索。

预测锗的热力学性质分析

1.1预测锗的热力学性质目的：介绍CASTEP在计算线性响应和热力学性质上的应用。

模块：Materials Visualizer、CASTEP时间：先决条件：背景：线性响应或密度泛函微扰理论(density functional perturbation theory－DFPT)，是最流行的点阵动力学从头算方法之一，然而，这种方法的适用性超越了振动性能的研究。

相对于给定的扰动，线性响应提供了一种计算总能量二阶导数的分析方法。

依靠这种扰动的本性，可以计算许多性能。

在离子位置的扰动给出了动力学矩阵和声子；在磁场中－核磁共振反应(NMR)；在单位晶格矢量中－弹性常数；在电场中－介电响应等。

声子的基本理论或者点阵扰动在晶体中被很好的理解了，并且已经在几本教材中被描述地进行了描述。

通过依据声子可被理解的大量的物理性能，说明了点阵扰动声子解释的重要性：红外、拉曼和中子散射光谱；比热、热膨胀和热传导；电子－声子相互作用、电阻系数和超导电性等。

密度泛函理论(DFT) 方法适用于预测这些性能，而CASTEP提供了这个功能。

注：对金属的DFPT声子计算和那些使用超软赝势方法尚未得到支持，然而，声子谱和相关性能可以在有限差分技术框架内进行计算。

介绍：在本教程中，将要学习如何使用CASTEP执行线性响应计算，以便计算声子散射和态密度，同时预测热力学性质，如焓和自由能。

1. 优化Ge晶胞的结构从输入Ge的晶体结构开始，它包含在Materials Studio提供的结构库中。

从菜单栏选择File | Import，定位到structures/metals/pure metals并选择Ge.msi。

将结构转化为原胞通常会使计算得到显著加速。

从菜单栏选择Build | Symmetry | Primitive Cell。

显示Ge原胞。

图5－28 Ge原胞结构现在使用CASTEP 优化Ge 的几何结构。

从工具栏选择CASTEP工具，然后选择Calculation或者从菜单栏选择Modules | CASTEP | Calculation。

利用第一性原理方法研究材料的机械、热力学和磁性等性质

利用第一性原理方法研究材料的机械、热力学和磁性等性质第一性原理计算(the first-priciples calculation)，又称为从头算(the ab-initio calculation)，是指从所研究材料的原子组分开始，运用量子力学及其它基本物理规律通过自洽计算来确定材料的几何结构、电子结构、力热学性质和光学性质等材料物性的方法。

第一性原理计算采用“非经验”处理方法，只用5个基本物理常量0m 、e 、h 、c 、B k 以及元素周期表中各组分元素的电子结构，就可以合理地预测材料的许多物理性质。

因此，第一性原理计算可以称得上真正意义的预测。

虽然它无需经验参数却可以达到很高的精度:用第一性原理计算的晶胞大小和实验值只差几个百分点，其它性质也和实验很好地吻合，体现了该理论的正确性。

第一性原理计算同分子动力学相结合，己经越来越多地被应用到固体、表面、材料设计、合成、模拟计算、大分子和生物体系等诸多方面的研究中，并获得许多突破性的进展。

随着计算机计算能力日新月异地增强，它己经成为计算材料科学的重要基础和核心技术。

本小组利用第一性原理方法研究了互连界面金属间化合物、MAX 化合物及氧化物半导体材料的机械、热动力学和磁学特性，并分析了产生相应特性的物理本质，为上述材料的工程应用提供了理论指导。

1、在微电子互连领域，Pt 金属层作为传统Au/Ni/Cu 焊盘下金属化层的替代材料之一正引起该领域研究学者的广泛关注。

为研究Sn 基焊料与Pt 金属层互连界面的连接可靠性问题，本小组利用第一性原理计算方法分析了已在实验中观察到的五种Pt-Sn 金属间化合物（图1）的热力学（图2）和弹性特性（图3，4）。

计算结果显示了五种Pt-Sn 金属间化合物的稳定程度和弹性各向异性行为。

此外，我们通过电子结构分析了上述金属间化合物弹性行为的起源（图5）。

（该研究成果已发表在Computational Materials Science 上）图1： Pt-Sn 相图图2： Pt-Sn金属间化合物形成焓图3：图 2 Pt-Sn金属间化合物体模量图4： PtSn4金属间化合物杨氏模量三维空间分布图5： PtSn4金属间化合物电荷密度分布2、Cu6Sn5和Cu5Zn8金属间化合物的热力学、弹性及电子特性Cu6Sn5和Cu5Zn8是目前微电子封装领域Sn基互连焊点界面的主要金属间化合物成分，其热力学及弹性特性直接关系到微电子期间的使用可靠性。

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湖南工业大学
课程设计
资料袋
理学院（系、部）2011 ~ 2012 学年第一学期
课程名称计算材料学指导教师雷军辉职称讲师
学生姓名刘进萍专业班级应用物理081班学号08411200201
题目锗的热力学性能第一性原理研究
成绩起止日期2011年12月4日～2011年12 月12 日
目录清单
1
湖南工业大学
课程设计任务书
2011—2012 学年第1 学期
理学院学院（系、部）应用物理学专业081 班级课程名称：计算材料学
一、设计题目：锗的热力学性能第一性原理研究
指导教师（签字）：年月日
系（教研室）主任（签字）：年月日
2
（计算材料）
设计说明书
锗的热学性能第一性原理研究
起止日期：2011 年12月4日至2011 年12月12日
学生姓名刘进萍
班级081
学号08411200201
成绩
指导教师(签字)
理学院（部）
2011年月日
3。