鉍氮共摻SnO2半導(dǎo)體材料光電性能的研究.pdf

1、二氧化錫(SnO2)材料作為一種典型的的寬禁帶半導(dǎo)體材料，是一種重要的無機(jī)功能材料，具有金紅石結(jié)構(gòu)。SnO2是一種新型透明導(dǎo)電氧化物，它具有寬帶隙(3.6eV)和高激子束縛能(130meV)使得二氧化錫基半導(dǎo)體材料具有發(fā)展?jié)摿?。摻雜SnO2所形成的材料具有高導(dǎo)電性、高透光率、高紅外反射率、高紫外吸收率等性能，從而使SnO2有更廣泛的應(yīng)用前景。本論文將以SnO2為基材料，采用基于密度泛函理論第一性原理的全電勢(shì)線性綴加平面波法，在廣義梯度近

2、似(GGA)下應(yīng)用WIEN2k軟件進(jìn)行計(jì)算。
　　首先，我們構(gòu)建2×2×2的SnO2超晶胞結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行Bi摻雜和Bi、N共摻的研究。計(jì)算了摻雜Bi和Bi、N共摻之后的電子態(tài)密度、能帶結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，并與本征的SnO2相比較，研究發(fā)現(xiàn)Bi的引入使得費(fèi)米能級(jí)附近出現(xiàn)了雜質(zhì)能級(jí)，材料表現(xiàn)出金屬性。而Bi、N共摻時(shí)，摻雜體系的SnO2仍然是半導(dǎo)體。無論哪種摻雜，費(fèi)米能級(jí)附近都出現(xiàn)了雜質(zhì)能級(jí)，說明摻雜以后的SnO2內(nèi)部的電子躍遷更加活躍，

3、導(dǎo)電性增強(qiáng)。單摻雜Bi和Bi、N共摻的SnO2的介電函數(shù)、吸收系數(shù)、折射率和反射率等光學(xué)性質(zhì)相比本征態(tài)都有整體提升。
　　其次我們分別計(jì)算了共摻體系下一個(gè)非金屬元素N原子與不同濃度的金屬摻雜元素Bi原子摻雜和一個(gè)金屬元素Bi原子與不同濃度的非金屬摻雜元素N原子摻雜時(shí)，濃度的變化對(duì)其電子結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，當(dāng)N原子摻雜濃度變化時(shí)，隨著N摻雜濃度的升高，在費(fèi)米面附近的的雜化程度增強(qiáng)，費(fèi)米面出現(xiàn)雜質(zhì)能級(jí)表示著價(jià)帶區(qū)域到導(dǎo)帶區(qū)

4、域的電子躍遷更加活躍。當(dāng)Bi原子摻雜濃度變化時(shí)，與多N摻雜體系對(duì)比，摻雜多Bi的體系基本沒有表現(xiàn)出磁性，說明引起磁性的元素主要是N元素，而Bi的摻雜則會(huì)引起價(jià)帶到導(dǎo)帶的電子躍遷，增強(qiáng)SnO2的金屬性和導(dǎo)電性。在光學(xué)性質(zhì)方面，摻雜多Bi體系的SnO2的光學(xué)性質(zhì)整體都有所提高，無論是介電函數(shù)虛部、吸收系數(shù)、能量損耗還是折射率和反射率，在紫外區(qū)域的整體值都高于本征態(tài)。尤其是在可見光區(qū)域和紅外光區(qū)域相對(duì)本征態(tài)的SnO2出現(xiàn)了特別明顯的峰值。

5、r>　　最后我們計(jì)算了對(duì)二氧化錫摻雜體系來引進(jìn)O缺陷和Sn缺陷對(duì)其電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響。通過分析O空位和Sn空位SnO2的電子態(tài)密度，我們得到O空位的引入并沒有影響其半導(dǎo)體的性質(zhì)，而Sn空位引入之后體系變?yōu)榘虢饘?。能帶結(jié)構(gòu)的計(jì)算表明O空位SnO2仍為直接帶隙，Sn空位的引入使得費(fèi)米能級(jí)處出現(xiàn)雜志能級(jí)，促進(jìn)了電子的躍遷。O空位和Sn空位均使得材料的光學(xué)吸收邊發(fā)生紅移，但Sn空位使得材料在可見光和紅外光區(qū)域產(chǎn)生吸收，拓寬了材料的吸收波長(zhǎng)