دراسة حسابية للخواص البصرية لنيتريد الألمنيوم (AlN) في طوره الأول عند الضغط المعدوم في الحالة متعددة البلورات و عند عدم تماثل المناحي

Abstract

تهدف هذه الدراسة إلى تحليل كمي شامل للخواص البصرية لمركب نيتريد الألمنيوم (AlN) باستخدام منهجية حسابية تعتمد على نظرية دالة الكثافة (DFT) ضمن إطار الموجات المستوية، و ذلك عبر كود CASTEP في بيئةMaterials Studio . تم اعتماد تقريب التدرج العام المُحسّن للمواد الصلبة (GGA-PBEsol) مع طاقة قطع 630 eV و شبكة نقاط k بأبعاد 20×20×16 لضمان دقة النتائج. شملت الدراسة حساب الدالة العازلة الكهربائية المركبة، معامل الانكسار، الانطفاء، الامتصاص، الانعكاسية، الناقلية الضوئية و دالة فقدان الطاقة عبر مدى طاقي واسع (0-30 eV) لحالات متعدد البلورات و الاتجاهات البلورية الرئيسية [100]، [010]، و [001]، مع تمثيل ثلاثي الأبعاد للتوزيع الاتجاهي لهذه الخواص. أظهرت النتائج تباينا اتجاهيا واضحا يعكس الطبيعة الأنيسوتروبية للبنية البلورية من نوعWurtzite . سجل الجزء الحقيقي من السماحية الكهربائية (ε₁) تفوقا للاتجاه [001] بنسبة 3.8% عند الطاقات المنخفضة، بينما بلغ الجزء التخيلي (ε₂) ذروته في النطاق 12.5-13.5 eV مع تفوق الاتجاه المحوري بنسبة 13 %. كما ظهرت ظاهرة التشتت الشاذ في النطاق8.0-8.6 eV، و بلغت قمة بلازمون الحجم في دالة فقدان الطاقة عند 19.5-20.0 eV. كشف التمثيل ثلاثي الأبعاد عن تفاوت في شدة الأنيسوتروبية بين المعاملات، حيث تراوحت نسب التباين من 0.25 % لمعامل الانطفاء إلى 28.5 % لدالة التبدد، مع انعكاس في الترتيب الاتجاهي بين خواص التخزين و التبديد يتسق مع علاقات كرامرز-كرونيج. تعد هذه النتائج أساسا علميا لتصميم أجهزة البصريات فوق البنفسجية، و الأجهزة الكهروضغطية عالية التردد، و الإلكترونيات عالية القدرة، مما يفتح آفاقا واعدة لتطبيقات تكنولوجية متقدمة تستفيد من الخواص الاتجاهية لمركب AlN.

This study presents a comprehensive quantitative analysis of the optical properties of aluminum nitride (AlN) employing a computational methodology based on density functional theory (DFT) within the plane-wave basis set framework, implemented via the CASTEP code in the Materials Studio environment. The generalized gradient approximation revised for solids (GGA-PBEsol) was adopted, supplemented by a cut-off energy of 630 eV and a Monkhorst-Pack k-point mesh of 20×20×16 to ensure computational convergence and result reliability. The investigation encompassed the calculation of the complex dielectric function, refractive index, extinction coefficient, absorption coefficient, reflectivity, optical conductivity, and energy loss function across a broad spectral range (0–30 eV) for both polycrystalline configurations and principal crystallographic orientations [100], [010], and [001], complemented by three-dimensional representations of the anisotropic distribution of these optical parameters. The results reveal pronounced directional anisotropy consistent with the hexagonal Wurtzite crystal structure. The real part of the dielectric function (ε1) exhibited a 3.8 % enhancement along the [001] orientation at low photon energies, whereas the imaginary component (ε2) attained its maximum within the 12.5–13.5 eV range, with the axial direction demonstrating a 13 % predominance. Anomalous dispersion phenomena were identified in the 8.0–8.6 eV spectral region, and the bulk plasmon resonance peak in the energy loss function was localized at 19.5–20.0 eV. Three-dimensional visualization unveiled substantial variation in anisotropy magnitude among different optical coefficients, with anisotropy ratios spanning from 0.25 % for the extinction coefficient to 28.5 % for the loss tangent. Notably, a reversal in directional ordering between energy storage and dissipation properties was observed, in accordance with Kramers–Kronig causality relations. These findings establish a robust theoretical foundation for the rational design of deep-ultraviolet optoelectronic devices, high-frequency piezoelectric transducers, and high-power electronic components, thereby opening promising avenues for advanced technological applications that exploit the intrinsic directional dependencies of AlN-based materials