压缩与膨胀压力下GeO$_2$与SiO$_2$结构性质的第一性原理研究

本文报道了三种GeO$_2$和SiO$_2$多晶型物（$\alpha$-石英、$\alpha$-方石英和金红石）在压缩与膨胀压力下结构变化的详细分析。第一性原理总能量计算表明，金红石结构是GeO$_2$各相中最稳定的相，而SiO$_2$优先形成石英。在平衡体积下，石英和方石英GeO$_2$相的GeO$_4$四面体比SiO$_2$的四面体扭曲更显著。此外，对于石英GeO$_2$和方石英GeO$_2$，当GeO$_2$块体的体积从平衡点发生变化时，所有O-Ge-O键角都会改变，这导致了四面体的进一步变形。相比之下，SiO$_2$中由Si-O-Si形成的倾斜角则发生显著变化。O-Ge-O键的这种柔性降低了由晶格常数失配引起的Ge/GeO$_2$界面处的应力，并导致了实验中观察到的低缺陷界面 [Matsubara \textit{et al.}: Appl. Phys. Lett. \textbf{93} (2008) 032104; Hosoi \textit{et al.}: Appl. Phys. Lett. \textbf{94} (2009) 202112]。