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ZnO作为一种新型的II-VI族宽禁带半导体材料,广泛应用于压电传感器、变阻器、紫外发光器件以及透明电极等领域。在温室条件下,ZnO的禁带宽度大(3.37eV)、激子束缚能高(60meV),使其在短波光电器件上有巨大的潜力,从而受到了人们的高度重视。ZnO能带的有效调节以及可靠p型掺杂是ZnO光电器件实用化的关键。本文采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波赝势方法,研究了涉及能带工程的S掺杂以及涉及p型导电性的Li-N共掺,得到的主要结果如下:
1.采用混合密度泛函理论结合投影缀加波方法,对不同含量S掺杂ZnO时的几何结构以及电子结构进行了计算。计算结果显示,带隙随着S掺杂含量的增加呈现先下降后上升的趋势。比较掺杂前后的态密度、价带顶(VBM)和导带底(CBM),可以发现ZnO1-xSx的VBM逐渐被S-3p电子占据;而CBM始终由Zn-4s轨道控制。同时,决定带隙宽度的VBM和CBM都会上升,但其上升具有差异性,这种变化趋势主要来源于晶格常数以及阴阳离子间的成键状态的变化,并最终导致了能带呈现先变窄后变宽的特征。
2.通过研究S对ZnO中本征缺陷的形成能和离化能的影响,我们发现,S掺杂会导致空位类型的缺陷(VO,VZn)形成能降低。其中,SO-VZn复合体形成能仅为0.7eV,在非平衡的生长条件下是比较容易形成的。然而,尽管SO-Zni复合体具有更低的离化能,但是高达3.82eV的形成能阻止了其成为n型导电性的起源。
3.通过计算Li,N共掺ZnO中缺陷的形成能、离化能以及电子结构,发现在共掺ZnO中,Lii-LiZn和Lii-NO两种中性的复合体由于库仑引力而稳定存在。DOS分析结果显示,Lii-LiZn对ZnO的总DOS影响很小。然而Lii-NO能够在纯的ZnO的VBM上方0.36eV处引入一个完全占据的杂质能带。它能够显著的减小含有Lii-NO的复合体受主的离化能。尽管LiZn-Lii-NO具有低的离化能,在Li-N共掺ZnO中由于其较高的形成能而难以形成。在富Zn条件下,NO-Lii-NO具有较低的离化能和形成能,是p型导电性的可能的起源。
1.采用混合密度泛函理论结合投影缀加波方法,对不同含量S掺杂ZnO时的几何结构以及电子结构进行了计算。计算结果显示,带隙随着S掺杂含量的增加呈现先下降后上升的趋势。比较掺杂前后的态密度、价带顶(VBM)和导带底(CBM),可以发现ZnO1-xSx的VBM逐渐被S-3p电子占据;而CBM始终由Zn-4s轨道控制。同时,决定带隙宽度的VBM和CBM都会上升,但其上升具有差异性,这种变化趋势主要来源于晶格常数以及阴阳离子间的成键状态的变化,并最终导致了能带呈现先变窄后变宽的特征。
2.通过研究S对ZnO中本征缺陷的形成能和离化能的影响,我们发现,S掺杂会导致空位类型的缺陷(VO,VZn)形成能降低。其中,SO-VZn复合体形成能仅为0.7eV,在非平衡的生长条件下是比较容易形成的。然而,尽管SO-Zni复合体具有更低的离化能,但是高达3.82eV的形成能阻止了其成为n型导电性的起源。
3.通过计算Li,N共掺ZnO中缺陷的形成能、离化能以及电子结构,发现在共掺ZnO中,Lii-LiZn和Lii-NO两种中性的复合体由于库仑引力而稳定存在。DOS分析结果显示,Lii-LiZn对ZnO的总DOS影响很小。然而Lii-NO能够在纯的ZnO的VBM上方0.36eV处引入一个完全占据的杂质能带。它能够显著的减小含有Lii-NO的复合体受主的离化能。尽管LiZn-Lii-NO具有低的离化能,在Li-N共掺ZnO中由于其较高的形成能而难以形成。在富Zn条件下,NO-Lii-NO具有较低的离化能和形成能,是p型导电性的可能的起源。