ZnO電子結(jié)構(gòu)與屬性的第一性原理研究.pdf

1、ZnO基半導(dǎo)體在藍光和紫外光發(fā)射、高密度存儲、氣敏傳感器、表面聲波器件、太陽能電池、顯示器件、壓電器件、高溫微電子器件、光電子器件等方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景，使其成為繼GaN之后光電研究領(lǐng)域又一熱門的研究課題。目前，盡管對ZnO電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)、表面和界面等方面進行了大量的理論和實驗研究，但確切的電學(xué)性能、光學(xué)性能等仍存在著分歧。本文采用基于密度泛函理論框架下的第一性原理平面波贗勢方法，對ZnO電子結(jié)構(gòu)、摻雜改性、光學(xué)性質(zhì)、體彈性模量

2、以及應(yīng)力下ZnO電子結(jié)構(gòu)等性質(zhì)進行了研究，所用軟件為MaterialsStudio3.2中的CASTEP軟件。主要研究內(nèi)容及其結(jié)果如下： 一、計算了纖鋅礦ZnO晶格常數(shù)、能帶結(jié)構(gòu)、鍵結(jié)構(gòu)、差分電荷密度、態(tài)密度和體彈性模量。ZnO理論預(yù)測是一種直接禁帶半導(dǎo)體材料，導(dǎo)帶底和價帶頂都位于布里淵區(qū)中心Γ點處，直接帶隙3.37eV。 二、利用材料模擬軟件CASTEP精確計算了介質(zhì)躍遷矩陣元，給出了ZnO的能量損失譜、介電函數(shù)、反射

3、系數(shù)、消光系數(shù)以及其它相關(guān)光學(xué)參數(shù)。利用半導(dǎo)體帶間躍遷理論和ZnO電子結(jié)構(gòu)信息，對介電譜圖和反射譜圖的峰值進行了指認和判別，為試驗圖譜解析和精確監(jiān)測和控制ZnO材料的生長提供了理論依據(jù)。 三、計算了外壓調(diào)制下ZnO體系電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，分析了外壓對ZnO電子結(jié)構(gòu)與光學(xué)性質(zhì)的影響，對ZnO帶隙隨壓力增大而展寬的現(xiàn)象進行分析。結(jié)果表明：隨著壓力的逐漸增大，ZnO鍵長縮短，價帶與導(dǎo)帶分別向低能和高能方向漂移，帶內(nèi)各峰發(fā)生小的劈裂，帶

4、隙Eg明顯展寬，Zn3d電子與O2p電子雜化增強。 四、探討了ZnO的n型摻雜、p型摻雜以及p型共摻雜機制。模擬了Ⅲ族摻雜的n型ZnO材料的性質(zhì)。結(jié)果表明摻雜后在導(dǎo)帶底出現(xiàn)大量由摻雜原子貢獻的自由載流子—電子，明顯提高了電導(dǎo)率，改善了ZnO的導(dǎo)電性能。對于p型摻雜，摻雜V族元素的氧化鋅材料在能隙中引入了深受主能級，載流子(空穴)局域于價帶頂附近。而利用加入激活施主的共摻雜技術(shù)的計算的結(jié)果卻表明受主能級向低能方向移動，形成了淺受主