掺杂对CdTe与ZnO体系结构与光学性质的密度泛函理论计算

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本研究采用基于第一性原理的密度泛函理论,利用广义梯度近似和超软赝势方法,计算研究了CdTe以及Sb掺杂的CdSbxTe1-x,以及ZnO的系列掺杂体系MxZnyOz(=Na、Li、N、Mg、Na-Mg、Li-Mg、Li-N)的晶体结构,电子能带,态密度和光学性质。分析讨论了晶体结构,电子能带,态密度和光学性质与掺杂元素种类和掺杂量之间的关系。   计算得到CdSbxTe1-x的能带结构、态密度、吸收光谱、价带与空带之间的能隙Eg、价带顶(VBM)和导带底(CBM)等随Sb元素含量x的变化关系。结果表明,由于导带的底部(CBM)升高,掺入Sb原子使系统的空穴浓度增加,原子间相互作用减弱,结合能减少,带隙Eg增大。x≤0.125时,系统吸收的太阳能随x增加而增大;0.125<x<0.25时,对太阳能的吸收减弱,而x>0.25时系统对太阳能的吸收随x增加而增强。指出利用基底表面对晶格的牵引作用,制作Sb原子较大比例取代CdTe闪锌矿晶相Te原子的薄膜,对提高光电材料的性能是有益的。   分析讨论了影响ZnO基p型电导的因素,并模拟计算了不同掺杂体系对太阳能的吸收光谱。结果表明:(1)Na原子作为p型掺杂剂取代Zn原子时,与价带相互作用成键,与导带成反键,使带隙增宽;掺杂系统电子数减少导致价带能量和空穴数增大,其中自旋向上能带增加的空穴多于自旋向下能带。Mg-Na共掺时,Mg原子的主要作用是其3p轨道使导带能量增高并导致体系带隙增大。(2)N原子的掺入使ZnO的简并能级分裂,同时引起其它原子费米面附近空穴数增加,形成深受主掺杂类型。Mg-N共掺使ZnO的能级比单掺N原子时简并分裂的程度更强,其中Mg原子的掺入使系统的受主能级能量更低,有利于低阻p型半导体的形成。(3)模拟计算表明,掺杂体系吸收太阳能的能力依次为:Zn0.75Mg0.125Li0.125O>Zn0.875Li0.125O>Zn0.75Mg0.125Na0.125O>Zn0.875Na0.125O>Zn0.875Mg0.125N0.125O0.875>ZnN0.125O0.875>Zn0.875Li0.125N0.125O0.875。
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