ZnO材料中的缺陷和摻雜的理論研究.pdf

1、ZnO為直接帶隙的寬禁帶半導體，室溫下禁帶寬度為3.37 eV；特別的，其激子束縛能高達60 meV。因此，ZnO在室溫或更高溫度下的紫外發(fā)光器件的應用中有極大的前景。但是，這首先要求有高質(zhì)量的n型和p型ZnO。然而，盡管實驗上很容易獲得高質(zhì)量的n型ZnO，但p型ZnO卻很難被制備出來。近年來，人們從理論和實驗上對如何在ZnO中進行有效的p型摻雜進行了大量的探索，取得了豐碩的成果，同時也提出了很多問題。本論文就ZnO中的本征缺陷性質(zhì)、受

2、主雜質(zhì)與H的復合體的性質(zhì)以及p型ZnO的導電性質(zhì)進行了深入研究。本論文共分為五章。 在第一章，我們總結(jié)了近年來關于ZnO的本征缺陷、ZnO中H元素的性質(zhì)和ZnO中p型摻雜的研究。 在第二章，我們介紹了理論計算中廣泛使用的密度泛函理論，并且介紹了計算原子最佳遷移路徑及其遷移勢壘的方法。 第三章討論了ZnO中本征缺陷的電子結(jié)構(gòu)、Ⅰ族雜質(zhì)缺陷的電子結(jié)構(gòu)以及幾種重要的本征缺陷的光吸收和振動性質(zhì)。通過B3LYP方法對缺陷能

3、級的準確計算，我們發(fā)現(xiàn)空位缺陷(Vo和Vzn)和八面體填隙缺陷(Oi，o和Zni，o)都可能是實驗觀測到的綠光峰的來源。因此以前的研究僅僅把綠光峰歸因于某一種缺陷是不對的。另外，Oi，o和Zni，o可能分別對黃光和紅光有貢獻。對Ⅰ族雜質(zhì)缺陷的B3LYP計算表明，實驗上在摻Li和Na的ZnO中觀測到的發(fā)光峰可能來自相關的復合缺陷。在ZnO中摻Ag會導致很多缺陷能級，其中一部分可能對實驗觀測到的3.17 eV的發(fā)光峰有貢獻。我們研究了幾種最

4、重要的本征缺陷(Vo、Ho和Vzn)的光吸收和振動性質(zhì)，找到了每種缺陷的特征光吸收峰和振動模式，這些發(fā)現(xiàn)可用于指認這些缺陷。 在第四章中，我們研究了ZnO中的幾種重要的雜質(zhì)(N、Li和Cu)與H的復合體的性質(zhì)。我們首先研究了No—H、Lizn—H和Cuzn—H復合體的形成和離解。通過計算H原子從不同方向到達基態(tài)構(gòu)型的最低能量路徑，得到了H原子在遷移過程中所需克服的能量勢壘。我們發(fā)現(xiàn)，這三種復合體都可以在200 K以下的低溫形成，

5、并在室溫下穩(wěn)定存在。No—H、Lizn—H和Cuzn—H復合體的離解所需要的激活能分別為1.25—1.48、1.10-1.35和1.42—1.63 eV，對應的激活溫度約分別為480-570、420-520和540-620 K。另外，我們對這些復合體的電子結(jié)構(gòu)、缺陷能級、振動性質(zhì)以及光學性質(zhì)進行了研究，深入討論了H原子在這些復合體中所起的作用。 在第五章中，我們對p型摻雜ZnO導電性質(zhì)的不穩(wěn)定性和低效率的問題進行了研究。通過分析

6、摻N的ZnO中的幾種主要缺陷，我們提出了一種全新的微觀模型，很好地解釋了光照誘導的N摻雜ZnO導電性質(zhì)轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。我們發(fā)現(xiàn)，Ho(即被Vo捕獲的H原子)在這種現(xiàn)象中扮演了重要的角色。由此，我們推測如果能控制Vo的濃度，使其很低，則會避免Ho大量存在，從而能增強摻N的ZnO的p型導電性的穩(wěn)定性。另一方面我們基于對在N摻雜的p型ZnO中觀測到的實驗現(xiàn)象的分析，提出了受主缺陷不完全離化的觀點，成功地解釋了相關實驗現(xiàn)象。通過分析電子結(jié)構(gòu)和自旋密