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基于碲镉汞(HgCdTe)材料的第三代红外焦平面技术己成为当前该领域国际竞争的焦点，在此跨代发展中对支撑该技术的物理机理认识提出了在微观尺度上准确性和深刻性更高的要求，典型地表现在碲镉汞材料的硅(Si)基HgCdTe异质生长和砷(As)掺杂两项核心主流技术所需要的物理基础支撑需要从现有的基于经验模型上的半经典物理基础推向基于量子论的量子物理基础。本论文主要涉及的是Si基HgCdTe异质外延过程中As钝化和CdTe面极性选择生长的核心问题。
本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对锗(Ge)、Si高密勒指数表面As钝化以及外延II-VI族材料的微观过程进行了系统的理论研究。对Si(211)基底表面的重构、As钝化、B面选择性外延进行了详细的探讨，同时，对Ge(211)、Si(311)表面的重构及As钝化情况做了详细的比对性研究，为实验上制备第三代HgCdTe红外光电子材料提供了全量子的理论分析基础。本论文的主要结果如下：
1.系统研究了Si(211)基底表面的重构形式和As钝化的微观机理。Si(211)表面主要呈现(2×1)重构，重构增强了表面半导体性质，表面态的出现使带隙减小。通过系统地计算各种可能的吸附、置换构型，发现单个As原子容易吸附在沟槽中，多个As原子吸附于表面之后在沟槽上方容易形成有序的zigzag结构。各种置换模型均没有改变表面的(2×1)重构形式，结合反射高能电子衍射(RHEED)实验的结果，最终结果表明Si(211)基底表面As钝化主要采用置换模型。根据X射线光电子能谱(XPS)的实验观察发现As在Si(211)表面覆盖率为70％左右，据此计算得到能量最低的As部分钝化表面结构。进一步分析置换过程中各种可能构型的能量、结构、态密度、电荷密度等特性，本文找到一条可能的钝化路径，并对置换的微观机理进行了探讨。As饱和了表面部分悬挂键，在削弱表面态的同时仍然保留了表面态的特性。
2.采用第三章中得到的部分钝化As/Si(211)基底，进一步研究了单个镉(Cd)、碲(Te)原子以及单层、双层II-VI族材料碲化镉(CdTe)、碲化锌(ZnTe)在该基底上的外延吸附。通过模拟比较CdTe、ZnTe在清洁的和As钝化后的Si基底上吸附的不同的稳定结构，发现As钝化不仅可以较大地改善晶体生长质量，同时，As钝化对于异质外延CdTe过程中A、B面极性的选择也起了重要的作用。分析原因主要如下：As钝化增加了表面键长，在一定程度上降低了基底与外延层之间的晶格失配；另一方面，As钝化饱和了表面部分悬挂键，在削弱表面态的同时仍然保留了表面态的特性，抑制A面生长，有利于B面外延层的生长。该结果为Si基分子束外延(MBE)生长HgCdTe实验中利用As钝化来保证B面极性和改善外延晶体质量的做法提供了一定的理论依据。
3.Ge(211)表面的重构形式以及As钝化情况与Si(211)表面上得到的结果基本一致。Ge(211)表面和Si(211)表面一样也呈现(2×1)重构形式。但是，与Si(211)表面吸附As原子情况不同的是：(a)单个.As原子在Ge(211)表面的沟槽中吸附时比较容易破坏E-E重构键；(b)多个As原子吸附在Ge(211)表面时形成的结构比较紊乱，不能形成有序的zigzag结构。而置换模型在Ge(211)基底的表现则与在Si(211)基底很相似：置换模型使得Ge(211)表面的重构构型保持很好，部分置换可以在削弱表面态的同时，保留部分表面态。残留的表面态也可能在外延选择性生长B面II-VI族材料中起到重要作用。
4.Si(311)是Si(211)表面邻近的高密勒指数表面，实验上观察到该表面呈3×重构。通过比较分析简单3×重构模型、AD模型以及ADI模型的三维结构参数与能带结构等相关电子结构特性，结果表明ADI模型更加符合实际，而且用该结构模拟得到的STM图与实验上的STM结果较吻合。采用ADI模型，我们进一步研究了As在该表面的置换构型，发现在I位置附近的Si原子被As置换后容易引起总能量的升高。