透明導(dǎo)電氧化物半導(dǎo)體材料的量子化學(xué)計(jì)算與設(shè)計(jì).pdf

1、透明導(dǎo)電氧化物(TCOs)材料由于具有優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)性能，被廣泛地應(yīng)用于發(fā)光二極管(LED)，太陽(yáng)能電池，平板顯示器(FDPs)和智能視窗。目前，商業(yè)化應(yīng)用最為廣泛的氧化銦錫(In2O3∶Sn，ITO)材料由于銦資源的稀缺且價(jià)格昂貴，迫使研究者們尋找和開(kāi)發(fā)性能優(yōu)異的新型廉價(jià)TCO材料。二氧化錫(SnO2)作為一種出色的候選替代材料，與In2O3相比不僅成本低廉，同時(shí)具備優(yōu)異的電學(xué)及光學(xué)性能。最近，基于SnO2的TCO材料在實(shí)驗(yàn)及理論研

2、究中受到了廣泛的關(guān)注，如氧化錫銻(SnO2∶Sb，ATO)和氧化錫氟(SnO2∶F，F(xiàn)TO)已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)并實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用，但是其導(dǎo)電性能與ITO相比仍存在差距。因此，仍然需要探索新的基于SnO2的TCO材料，來(lái)滿(mǎn)足未來(lái)的應(yīng)用。
　　 基于密度泛函理論理的第一性原理計(jì)算等研究方法的發(fā)展為預(yù)測(cè)周期性材料的結(jié)構(gòu)和性能提供了一個(gè)極有價(jià)值的研究手段，而且已經(jīng)被作為一種重要的分析及預(yù)測(cè)工具來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新的材料。
　　 本文

3、采用第一性原理方法對(duì)基于SnO2體系的材料進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)，重點(diǎn)研究不同材料體系的導(dǎo)電性能，并對(duì)新TCO材料的光學(xué)性能做出預(yù)測(cè)，為今后的實(shí)驗(yàn)提供理論指導(dǎo)。主要研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)策略如下。
　　 (1)采用第一性原理計(jì)算方法（GGA-PBE和HSE06），研究了本征態(tài)SnO2晶胞結(jié)構(gòu)、能帶、態(tài)密度、有效質(zhì)量等電子結(jié)構(gòu)，并驗(yàn)證了計(jì)算方法的正確性。
　　 (2)在單摻雜中，選擇ⅤA，ⅤB，ⅥB和ⅦA族元素作為摻雜元素，以保證

4、材料為n型導(dǎo)電材料并具有較高的載流子遷移率。通過(guò)GGA-PBE計(jì)算了單元素?fù)诫sSnO2進(jìn)行大范圍的篩選。設(shè)計(jì)原則應(yīng)包括三個(gè)重要的特性:(a)高導(dǎo)電性;(b)高透光性(禁帶寬度大于3.1 eV);(c)穩(wěn)定性好且易于實(shí)驗(yàn)制備。此外，低成本和無(wú)毒性也是必要的。對(duì)于計(jì)算結(jié)果的篩選，材料導(dǎo)電能力可以通過(guò)有效質(zhì)量來(lái)間接反映，光學(xué)性能可由計(jì)算得到的電子結(jié)構(gòu)來(lái)描述，而材料的穩(wěn)定性及實(shí)驗(yàn)制備難易程度可通過(guò)結(jié)合能和形成能來(lái)表示。經(jīng)GGA-PBE計(jì)算篩選出

5、的具有高導(dǎo)電性的不僅包括了已知的FTO和ATO，而且預(yù)測(cè)了Sn02∶P(PTO)，SnO2∶I(IOTO)兩種新材料。
　　 (3)基于SnO2單摻雜的結(jié)果，以PTO作為研究體系，摻入雜質(zhì)元素（ⅤB，ⅥB和ⅦA族元素），替代其中的Sn原子或者O原子，即進(jìn)行雙元素共摻雜SnO2的GGA-PBE計(jì)算。再結(jié)合單摻雜與雙摻雜的結(jié)果篩選，選出導(dǎo)電性能相對(duì)最出色的新TCO材料SnO2∶(P,F)(FPTO)。
　　 (4)最后通過(guò)H