GaAs在高压下的金属相变

于红艳， 吴宝嘉

( 延边大学 理学院， 吉林 延吉 133002 )

0 引言

GaAs作为一种重要的半导体材料，因具有较高的光电转换效率和电子迁移率，被广泛地应用于电子工业领域[1]，尤其是太阳能电池[2]和高速数字电路[3]领域.研究[4]表明，高压能诱导材料的晶格结构和电子结构发生突变，进而改变材料的电学性质.近些年来，学者们在理论和实验上对GaAs进行了大量的高压研究.例如在实验方面，学者们运用电阻[5]、同步辐射X射线衍射[6]、拉曼散射[7]、X射线吸收[8]、电子显微镜[8]、热波(Seebeck效应)[8]等对GaAs结构进行了压力诱导实验，其结果均显示在11.2～17.3 GPa压力范围内GaAs会发生从闪锌矿(zb)到Cmcm结构的转变；在理论方面， H.Arabi等[9]通过对GaAs进行第一性原理计算发现Cmcm相的能带能够穿过费米能级，即在理论上表明了Cmcm相为金属相.但目前为止利用实验进一步验证GaAs的Cmcm相为金属相的研究鲜有报道，为此本文采用高压原位变温电阻率测量方法研究GaAs的电阻率随压力和温度变化的关系，以此验证Cmcm相是否为金属相.

1 实验

GaAs粉末样品购于Alfa Aesar公司，纯度为99.999%.样品初始结构为闪锌矿结构，空间群为F-43m.压力的产生装置为直径300 μm的金刚石对顶砧(DAC)，起保护金刚石作用的垫片为T301不锈钢片，压力校准器为红宝石[10].为了避免引入额外电阻，本文未引入传压介质.在考虑金刚石变形的前提下，用电子千分尺测定高压下的样品厚度.测量探针使用在金刚石砧面上集成的Mo薄膜电极，采用范德堡法测量样品的变温电阻率.范德堡法计算电阻率的公式[11]为

exp(-πR1d/ρ)+exp(-πR2d/ρ)=1.

运用基于密度泛函理论的赝势平面波方法对GaAs进行第一性原理计算[12]，并通过GGA-PBZ模型描述交换关联函数.zb结构和Cmcm结构倒易空间的k点网格分别为6×6×6和7×7×7.Ga和As的最外层电子排布分别为3d104s24p1和4s24p3.计算中选用的平面波截止能量为528 eV，计算精度为Utra-fine.

2 结果与讨论

2.1 GaAs结构随压力的相变

运用高压原位电阻率测量方法测量高压下GaAs样品的电阻率，结果如图1所示.由图1可知，当压力范围在常压到4.0 GPa时， GaAs的电阻率超过了仪器的测量上限，即此时无法测量电阻率.当压力在4.0～12.0 GPa和13.0～25.0 GPa范围内时， GaAs的电阻率随着压力的增加逐渐减小，且减小趋势较缓.然而压力在从12.0 GPa变化到13.0 GPa的过程中， GaAs的电阻率急剧下降(3个数量级).结合文献[13]的研究结果(GaAs可以发生金属化相变)，可推断此时GaAs发生了相变，即从zb相转变为Cmcm相.

图1 常温下GaAs的电阻率随压力的变化

2.2 zb相和Cmcm相的电阻率

为了验证Cmcm相的结构是否为金属相，对GaAs进行高压变温电阻率测量.测量选取10个压力点，其中5个为zb相， 5个为Cmcm相.不同压力下GaAs的电阻率随温度的变化关系以Arrhenius形式给出，结果如图2所示.由图2可以看出：当压力低于12.0 GPa时， zb相的电阻率随温度的升高而减小，此变化趋势表明zb相的GaAs是半导体态；当压力高于12.0 GPa时，GaAs的电阻率随温度升高而增大，且电阻率的数值变化较大(6个数量级)，此变化趋势表明Cmcm相的GaAs是金属态.由上述实验结果可知， 从zb相到Cmcm相的变化过程中的确发生了金属化现象.

图2 不同压力下GaAs的电阻率随温度的变化

2.3 zb相和Cmcm相的能带

为了研究压力诱导下GaAs能带结构的变化情况，运用第一性原理对GaAs的能带结构进行计算，结果如图3所示.计算选取的压力点为6.0 GPa(zb相)和20.0 GPa(Cmcm相).由图3(a)可以看出，压力为6.0 GPa时导带的底部和价带的顶部位于同一G点， zb结构的带隙约为0.82 eV，即zb相的GaAs为直接带隙半导体.从图3(b)可以看出，压力为20.0 GPa时GaAs的能带会跨越费米能级，且导带和价带交叠，这表明Cmcm相为金属相.

(a) 6.0 GPa下GaAs的能带结构

(b) 20.0 GPa下GaAs的能带结构图3 不同压力下GaAs的能带结构

3 结论

本文实验研究表明， GaAs在12.0 GPa压力下会发生从zb相到Cmcm相的结构相变， Cmcm相GaAs的电阻率随温度升高而增加，且其能带会跨越费米能级.本文的实验结果证实了Cmcm相是金属相的理论预测，并且对拓宽GaAs的应用范围具有很好的参考价值.另外，通过本文实验还发现,高压变温电阻率测量法可作为一种有效地确认固体材料是否为半导体态或金属态的测量方法.