應(yīng)變ZnO能帶結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、ZnO基（應(yīng)變）量子阱(QW)、（應(yīng)變）超晶格(SL)及應(yīng)變補(bǔ)償多量子阱(SCMQW)等異質(zhì)結(jié)應(yīng)變結(jié)構(gòu)在激光器、光探測(cè)器、長(zhǎng)波長(zhǎng)光通信系統(tǒng)和高速電子器件以及硅基單片光電集成等方面有著重要的潛在應(yīng)用價(jià)值，是當(dāng)前國內(nèi)外關(guān)注的研究領(lǐng)域和研究發(fā)展重點(diǎn)之一?，F(xiàn)有研究對(duì)與應(yīng)變ZnO材料能帶結(jié)構(gòu)相關(guān)的電學(xué)及光學(xué)特性鮮有報(bào)道，因此，深入研究應(yīng)變ZnO能帶結(jié)構(gòu)對(duì)于發(fā)展高性能光電器件與電路具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　ZnO的能帶結(jié)構(gòu)會(huì)隨應(yīng)力場(chǎng)

2、作用發(fā)生改變，進(jìn)而影響材料的電學(xué)和光學(xué)特性。論文通過建立雙軸應(yīng)變ZnO的能帶結(jié)構(gòu)模型以及摻雜致應(yīng)變ZnO模型，較系統(tǒng)、全面地描述能帶以及電子和空穴有效質(zhì)量與應(yīng)變度的關(guān)系，為認(rèn)識(shí)應(yīng)變ZnO材料的物理屬性以及在ZnO基應(yīng)變器件（尤其是超晶格、量子阱）設(shè)計(jì)中選擇應(yīng)力方式及強(qiáng)度等提供理論依據(jù)。本論文的主要研究?jī)?nèi)容及成果概括為以下三個(gè)部分：
　　1.論文以弛豫Znl-xMgxO襯底上外延生長(zhǎng)的應(yīng)變ZnO為研究對(duì)象，基于Luttinger-K

3、ohn和Bir-Pikus價(jià)帶kp哈密頓模型，推導(dǎo)獲得了應(yīng)變ZnO材料價(jià)帶E-k表達(dá)式以及價(jià)帶空穴沿不同晶向的有效質(zhì)量表達(dá)式，揭示了ZnO三個(gè)價(jià)帶能級(jí)在應(yīng)力作用下發(fā)生移動(dòng)；同時(shí)獲得了未應(yīng)變ZnO和應(yīng)變ZnO/Zn0.7Mg0.3O材料“輕空穴”帶、“重空穴”帶及場(chǎng)致分裂帶的二維等能線，研究了應(yīng)力作用下電子和空穴有效質(zhì)量的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：應(yīng)力未引起“輕空穴”帶和“重空穴”帶沿[00k]和[k00]晶向的空穴有效質(zhì)量發(fā)生顯著變化，而

4、場(chǎng)致分裂帶沿[00k]和[k00]晶向的空穴有效質(zhì)量在應(yīng)力作用下有明顯減小。研究所得的應(yīng)變ZnO材料價(jià)帶E-k解析表達(dá)式和相關(guān)重要的量化物理參量，可為應(yīng)變ZnO材料的應(yīng)用研究提供重要的依據(jù)。
　　2.基于應(yīng)變張量理論，研究建立了適用于密度泛函理論第一性原理平面波規(guī)范-守恒贗勢(shì)方法的應(yīng)變ZnO物理參數(shù)模型。首先建立了未應(yīng)變ZnO與不同Mg組分表征的應(yīng)變ZnO/Zn1-xMgxO結(jié)構(gòu)模型，利用密度泛函理論第一性原理在提取了應(yīng)變ZnO導(dǎo)

5、帶、價(jià)帶結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上獲得了其有效質(zhì)量的量化模型，同時(shí)探討了利用CASTEP軟件分析應(yīng)變ZnO/Znl-xMgxO能帶結(jié)構(gòu)及光學(xué)特性的方法，獲得了應(yīng)變ZnO能帶結(jié)構(gòu)、有效質(zhì)量以及光學(xué)反射率和折射率與應(yīng)變度的理論關(guān)系，并利用所得結(jié)果與K?P理論分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，為應(yīng)變ZnO材料電子和空穴有效質(zhì)量的分析提供了又一種有效手段；在應(yīng)變ZnO/Znl-xMgxO計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立了Nb摻雜ZnO/Znl-xMgxO模型，研究了襯底對(duì)摻雜Z

6、nO材料的能帶及有效質(zhì)量的影響。本研究采用CASTEP軟件，其應(yīng)用簡(jiǎn)便研究結(jié)果可靠，為應(yīng)變ZnO材料能帶結(jié)構(gòu)及相關(guān)物理參數(shù)的研究分析提供了有效手段，同時(shí)也為同類材料的應(yīng)力作用模型分析提供了參考。
　　3.摻雜也是應(yīng)力引入的主要形式，基于密度泛函第一性原理，論文建立了Al單摻雜和Al-Sn共摻雜應(yīng)變ZnO模型，分析了摻雜致應(yīng)力作用下ZnO體系的晶體結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)及有效質(zhì)量等電學(xué)特性，同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)比對(duì)計(jì)算并討論了應(yīng)變體系的介電函數(shù)、吸

7、收光譜、反射光譜等光學(xué)特性。研究結(jié)果表明：純ZnO、Zn0.9375Al0.0625O和Zn0.875Al0.0625Sn0.0625O三個(gè)體系的雜質(zhì)結(jié)合能Ef逐次降低，表明在纖鋅礦ZnO中Al、Sn共摻雜相對(duì)于Al單摻雜更容易實(shí)現(xiàn)；相對(duì)于未摻雜ZnO，Al單摻雜和Al-Sn共摻雜都具有較小的電子和空穴有效質(zhì)量，表明該種摻雜具有較高的載流子遷移率和較低的電離能，是較理想的摻雜選擇；此外，Al-Sn共摻雜ZnO在波長(zhǎng)為300 nm處出現(xiàn)一