高p型導電率氧化鋅的設計與計算.pdf

1、半導體材料是支撐現(xiàn)代信息社會的基石,也是新型能源開發(fā)和利用的重要基礎。ZnO作為一種新型半導材料,因具有寬帶隙、高激子束縛能,而被廣泛應用于太陽能電池、表面聲波器件、液晶顯示、氣敏傳感器、壓敏器件等。但是,目前性能優(yōu)異、穩(wěn)定重復性好的p型ZnO仍未真正實現(xiàn)。其主要因為是:一、ZnO摻雜非對稱性使p型難以實現(xiàn)；二、ZnO的晶格不匹配基礎上的摻雜。因此,本文致力于從理論上系統(tǒng)地計算和設計p型ZnO。本文采用基于密度泛函(DFT)的第一性原理

2、計算方法,著重研究了摻雜對ZnO體材料及表面缺陷對ZnO導電性影響的機制。
　　 1、研究了單摻雜對ZnO對其電學性質的影響。1)對純凈ZnO的電子結構分析得出:上價帶主要由Zn-d態(tài)貢獻,下價帶主要由O-s態(tài)貢獻。而導帶部分主要由Zn-s提供。2)對N單摻雜ZnO的電子結構研究發(fā)現(xiàn):費米能級進入價帶,在價帶頂存在一定的峰值,體系呈現(xiàn)p型特征,但由于空穴的相互作用使得載流子局域性很強,從而降低氮的固溶度,在費米能級附近形成深受主

3、能級,限制了載流子濃度,不利于p型ZnO的形成。3)對Zn1-xMxO(M=Sn,Y)的電子結構研究發(fā)現(xiàn),摻雜體系均呈現(xiàn)n型特征。但是Sn摻雜ZnO體系發(fā)生紅移現(xiàn)象,Y摻雜ZnO體系發(fā)生藍移現(xiàn)象,而且,在高摻雜條件下,濃度越低,體系的導電率越高。
　　 2、研究了共摻雜對p型ZnO的電學性質的影響。1)對于(nN,Mg)共摻雜ZnO,計算了體系的缺陷形成能、離化能、結合能和導電因子以及電子結構。研究發(fā)現(xiàn),4N-Mg共摻雜ZnO,

4、可以得到低離化能和高電導率的p型ZnO。2)對于(N,Ag)共摻雜ZnO,結果表明:隨著N濃度增加,p型導電性增強,當N與Ag的濃度達到3:1時,導電性最強。3)對于(nN,B)共摻雜模型,研究發(fā)現(xiàn),當N與B濃度比為1:1時,表現(xiàn)為本征態(tài)。但是在該濃度比下,存在一個Zn空位時,體系逐漸由本征態(tài)轉變?yōu)槿鮬型。當逐漸增加N的濃度時,體系逐漸表現(xiàn)為強p型。4)對于F—Li共摻雜ZnO,研究結果發(fā)現(xiàn):Li濃度增加時,可以提高p型導電率。

5、　　 3、研究了ZnO(1010)表面缺陷對其電學性質的影響。1)計算了純凈ZnO(1010)表面的表面能、電子結構和功函數(shù)。結果表明,ZnO(1010)表面的表面能最小,是解理面。從分波態(tài)密度圖中發(fā)現(xiàn),在表面形成成鍵的表面態(tài)。2)計算了含有空位缺陷的ZnO(1010)表面的形成能、表面能和電子結構。結果發(fā)現(xiàn),表面Zn空位和O空位對對晶格畸變影響都較大,空位更易在表面形成。含Zn空位時,表現(xiàn)為弱p型。含O空位時,具有n型的特征。3)采

6、用Nudged ElasticBand(NEB)方法研究了ZnO(101O)面中的本征缺陷擴散的問題。研究結果發(fā)現(xiàn):Zn間隙的直接擴散至次近鄰的間隙位所需要克服的勢壘最小,表明直接擴散是Zn間隙的直接擴散是其最有可能的擴散機制。Zn空位的直接擴散勢壘比較高,表明Zn空位在ZnO(1010)表面較易穩(wěn)定存在；O間隙的直接擴散的勢壘較高,這說明氧原子在表面的不易擴散,比較穩(wěn)定；O空位由第一層擴散到第二層的直接擴散勢壘很高,這表明ZnO(10