Ab initiomolecular-dynamics simulation of the liquid-metal–amorphous-semiconductor transition in germanium

材料科学 从头算 分子动力学 无定形固体 四面体 密度泛函理论 凝聚态物理 半导体 统计物理学 分子物理学 物理 化学 结晶学 光电子学 量子力学
作者
Georg Kresse,J. Häfner
出处
期刊:Physical review 卷期号:49 (20): 14251-14269 被引量:20356
标识
DOI:10.1103/physrevb.49.14251
摘要

We present ab initio quantum-mechanical molecular-dynamics simulations of the liquid-metal--amorphous-semiconductor transition in Ge. Our simulations are based on (a) finite-temperature density-functional theory of the one-electron states, (b) exact energy minimization and hence calculation of the exact Hellmann-Feynman forces after each molecular-dynamics step using preconditioned conjugate-gradient techniques, (c) accurate nonlocal pseudopotentials, and (d) Nos\'e dynamics for generating a canonical ensemble. This method gives perfect control of the adiabaticity of the electron-ion ensemble and allows us to perform simulations over more than 30 ps. The computer-generated ensemble describes the structural, dynamic, and electronic properties of liquid and amorphous Ge in very good agreement with experiment. The simulation allows us to study in detail the changes in the structure-property relationship through the metal-semiconductor transition. We report a detailed analysis of the local structural properties and their changes induced by an annealing process. The geometrical, bonding, and spectral properties of defects in the disordered tetrahedral network are investigated and compared with experiment.
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