Ga高掺杂对ZnO的最小光学带隙和吸收带边影响的第一性原理研究

氧化锌

物理学报ActaPhys.Sin.Vol.62,No.15(2013)157101

Ga高掺杂对ZnO的最小光学带隙和吸收带边

影响的第一性原理研究*

侯清玉1)

董红英2)

马文3)

赵春旺1)

1)(内蒙古工业大学理学院,呼和浩特010051)2)(内蒙古工业大学化工学院,呼和浩特010051)3)(内蒙古工业大学材料学院,呼和浩特010051)(2013年3月7日收到;2013年4月7日收到修改稿)

采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,建立了纯的和四种不同Ga掺杂量的ZnO超胞模型,分别对模型进行了几何结构优化、能带结构分布、态密度分布和吸收光谱的计算.结果表明,在本文限定的Ga掺杂量2.08at%—6.25at%的范围内,随着Ga掺杂量的增加,掺杂后的ZnO体系体积变化不是很大,但是,掺杂体系ZnO的能量增加,掺杂体系变得越来越不稳定,同时,掺杂体系ZnO的Burstein-Moss效应越显著,最小光学带隙变得越宽,吸收带边越向高能方向移动.计算结果和实验结果相一致.

关键词:Ga高掺杂ZnO,电子结构,吸收光谱,第一性原理PACS:71.15.Dx,78.20.Bh

DOI:10.7498/aps.62.157101

掺杂体系ZnO光学性质的影响,结果表明,与纯的

1引言

ZnO是一种新型的直接宽间隙带无机非金属氧化物半导体材料

[1],

ZnO相比,Ga和N共掺对掺杂体系ZnO的吸收带边出现蓝移现象,同时,在低能区吸收光谱强度减小.Cheng等[10]在实验上研究了Mn取代Zn掺杂原子摩尔分数为7%以及电子非自旋极化,对掺杂体系ZnO吸收光谱的影响.结果表明,与纯的ZnO相比,掺杂体系ZnO的间隙带宽度变宽,吸收光谱出现蓝移现象.Li等[11]用第一性原理研究Ga和N共掺对掺杂体系ZnO传输性能的影响,结果表明,Ga和N共掺的掺杂体系ZnO的导电性能优于分别单掺Ga或N.尽管研究取代Zn掺杂Ga对掺杂体系ZnO光电性能的影响在国内外有一定的进展.但是确切的Ga高掺杂量对掺杂体系ZnO的Burstein-Moss效应以及最小光学带隙宽度和吸收带边的认识,仍存在着分歧.文献[12]实验指出,当Ga掺杂量为1at%—3at%时,Ga的掺杂量越大,掺杂体系ZnO的最小光学带隙宽度越大,达到最大

[2 7].

室温下间隙带宽度为

3.37eV,与氮化镓(GaN)接近.ZnO在光电、压电、热电、铁电等许多领域都具有优异的性能,ZnO激子结合能为60meV,能够实现室温甚至高温下高效的激子复合发光,是一种较理想的短波长光学器件材料.ZnO作为一种新型的直接宽间隙带半导体,已受到诸多领域研究者的广泛关注.

近年来,在实验上对掺杂体系GZO(Ga掺杂在ZnO中)薄膜也开展了较多的研究论计算方面,Zuo等

[8]

在理

用第一性原理分别研究双

掺杂C—Al和C—Ga对掺杂体系ZnO半导体特性的影响,结果表明,掺杂体系ZnO均为p型半导体.Xie等

[9]

用第一性原理研究Ga和N共掺对

*国家自然科学基金(批准号:51062012,51062013,51261017)、教育部“春晖计划”项目、内蒙古自治区高等学校科学研究项目(批准号:NJZZ130099)和内蒙古自治区自然科学基金(批准号:2010BS0604)资助的课题. 通讯作者.E-mail:by0501119@http://www.77cn.com.cn

通讯作者.E-mail:donghongying@http://www.77cn.com.cnc2013中国物理学会

ChinesePhysicalSociety

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值,吸收带边蓝移逐渐增加到最大值;当Ga掺杂量为3at%—5at%时,Ga的掺杂量越大,掺杂体系ZnO的最小光学带隙宽度反而由最大值逐渐开始减小,吸收带边蓝移逐渐减小.该结论与文献[13,14]的实验结果相悖.本文选取与文献[12—14]相近的Ga高掺杂量2.08at%—6.25at%,研究掺杂体系ZnO的Burstein-Moss效应以及最小光学带隙宽度和吸收带边,得出了与实验结果[13,14]相符合且有理论学术价值的结果.

点:第一,由于Ga离子半径0.062nm要比Zn2+离子半径0.074nm小,当离子半径小的Ga3+离子取代离子半径大的Zn2+离子时,根据量子化学理论可知,Ga3+离子掺杂后体系ZnO的晶体体积应缩小.第二,由于Ga3+离子替换一个Zn2+离子时体系ZnO中产生多余的一个正电荷,多余的正电荷之间相互库仑排斥力增大,掺杂体系ZnO体积变大[16].计算结果表明,Ga3+离子掺杂后的离子半径以及Ga3+离子掺杂后体系ZnO中多余的正电荷之间相互排斥作用的共同影响下,掺杂前后体系ZnO的体积变化差别不是很大.

根据量子力学的能量最低原理可知,体系能量越低,体系越稳定.所以,从表1中可以看出,在Ga掺杂量2.08at%—6.25at%的范围内,Ga掺杂量越增加,掺杂体系ZnO的能量越高,体系越不稳定.

另外,从形成能角度进一步说明掺杂体系ZnO结构稳定性的影响,计算形成能的公式为[17]

mn

Ef=EZnO:Ga EZnO EGa2+EZn2,

22

2建立模型和计算方法

2.1建立模型

ZnO是六方纤锌矿结构,属于P63mc空间群,

对称性为C6v-4.本文建立了纯的ZnO单胞和四种不同掺杂量Zn1 xGaxO(x=0.0417,0.0625,0.0833,0.125)超胞模型,计算采用Ga原子掺杂取代Zn原子,然后对掺杂体系ZnO的Burstein-Moss效应以及最小光学带隙宽度和吸收带边的影响用第一性原理进行了探究.

(1)

其中EZnO:Ga为掺Ga后体系的总能量,EZnO表示纯的相应ZnO超晶胞体系总能量,EGa2表示双原子Ga的能量,EZn2表示双原子Zn的能量,m,n分别是掺入Ga原子个数和被取代的Zn原子个数.Zn1 xGaxO(x=0.0417,0.0625,0.0833,0.125)超晶胞的四种形成能,从掺杂量由小到大分别为 0.65eV,1.79eV,3.91eV和5.51eV.计算结果表明,Ga掺杂量越大,掺杂体系ZnO的形成能越高,体系结构越 …… 此处隐藏：9499字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……