摻雜ZnO的第一性原理研究.pdf

1、本文通過第一性原理方法,從理論角度研究摻雜ZnO的電子結(jié)構(gòu)(包括能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度)和光學(xué)性質(zhì)(包括介電函數(shù)、光吸收譜)。氧化鋅(ZnO)是一種有著廣泛的應(yīng)用前景的寬帶隙半導(dǎo)體材料,屬II-VI族,在光電和壓電等方面有著優(yōu)越的價值。在室溫下禁帶寬度為3.37eV,束縛激子能高達(dá)60meV。由于它在紫外波段存在受激發(fā)射而成為一種重要的光電材料并引起人們的極大重視。ZnO在紫外發(fā)光二極管、太陽能電池、液晶顯示器、氣體傳感器、紫外半導(dǎo)體激光

2、器以及透明導(dǎo)電薄膜方面有廣闊的應(yīng)用前景。最近幾年,研究人員發(fā)現(xiàn)摻入其它元素能夠改變 ZnO的性質(zhì),性能獲得更優(yōu)的發(fā)揮。
　　我們研究了In-Ga、In-Ta、Al-H共摻雜ZnO能帶結(jié)構(gòu)、總體態(tài)密度、分波態(tài)密度、復(fù)介電函數(shù)、吸收光譜等性質(zhì),探討了微觀結(jié)構(gòu)與宏觀光學(xué)響應(yīng)的關(guān)系,通過比較,我們的計(jì)算結(jié)果和其他理論、實(shí)驗(yàn)值符合的很好。研究結(jié)果表明:摻雜In-Ga、In-Ta后在導(dǎo)帶底出現(xiàn)大量由摻雜原子貢獻(xiàn)的自由載流子-電子,優(yōu)化了ZnO

3、的電學(xué)性能;三種共摻雜的導(dǎo)帶和禁帶都向低能級方向移動,費(fèi)米能級移入導(dǎo)帶,簡并化效應(yīng)更加劇烈。
　　In-Ga共摻雜ZnO后晶胞體積增大,摻雜In晶胞體積縮小,摻雜Ga晶胞體積膨脹,共摻雜后晶胞體積膨脹是由摻入的Ga決定的。在ZnO禁帶中引入雜質(zhì)能級,同時禁帶寬度變小,導(dǎo)電能力增強(qiáng),共摻雜后 ZnO吸收帶邊出現(xiàn)紅移,在可見光區(qū)域吸收明顯減弱。并用IGZO薄膜實(shí)驗(yàn)與計(jì)算值進(jìn)行了對比,結(jié)果是準(zhǔn)確的。
　　In-Ta共摻雜ZnO后晶

4、胞體積增大,摻雜In晶胞體積縮小,摻雜Ta晶胞體積膨脹,共摻雜后晶胞體積膨脹是由摻入的Ta決定的。在ZnO禁帶中引入雜質(zhì)能級,同時禁帶寬度變小,導(dǎo)電能力增強(qiáng),共摻雜后 ZnO吸收帶邊出現(xiàn)紅移,在可見光區(qū)域不同波長有著不同的吸收變化。
　　單摻雜Al和H體積膨脹,共摻雜后晶胞體積膨脹,共摻雜后晶胞體積膨脹是二者共同決定的。ZnO禁帶寬度增大,導(dǎo)電能力減弱,共摻雜后ZnO吸收帶邊出現(xiàn)藍(lán)移,在可見光區(qū)域吸收增強(qiáng)。理論計(jì)算結(jié)果與已報道文獻(xiàn)