高p型導(dǎo)電率氧化鋅的設(shè)計(jì)與計(jì)算.pdf

1、半導(dǎo)體材料是支撐現(xiàn)代信息社會(huì)的基石,也是新型能源開發(fā)和利用的重要基礎(chǔ)。ZnO作為一種新型半導(dǎo)材料,因具有寬帶隙、高激子束縛能,而被廣泛應(yīng)用于太陽能電池、表面聲波器件、液晶顯示、氣敏傳感器、壓敏器件等。但是,目前性能優(yōu)異、穩(wěn)定重復(fù)性好的p型ZnO仍未真正實(shí)現(xiàn)。其主要因?yàn)槭?一、ZnO摻雜非對(duì)稱性使p型難以實(shí)現(xiàn)；二、ZnO的晶格不匹配基礎(chǔ)上的摻雜。因此,本文致力于從理論上系統(tǒng)地計(jì)算和設(shè)計(jì)p型ZnO。本文采用基于密度泛函(DFT)的第一性原理

2、計(jì)算方法,著重研究了摻雜對(duì)ZnO體材料及表面缺陷對(duì)ZnO導(dǎo)電性影響的機(jī)制。
　　 1、研究了單摻雜對(duì)ZnO對(duì)其電學(xué)性質(zhì)的影響。1)對(duì)純凈ZnO的電子結(jié)構(gòu)分析得出:上價(jià)帶主要由Zn-d態(tài)貢獻(xiàn),下價(jià)帶主要由O-s態(tài)貢獻(xiàn)。而導(dǎo)帶部分主要由Zn-s提供。2)對(duì)N單摻雜ZnO的電子結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn):費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入價(jià)帶,在價(jià)帶頂存在一定的峰值,體系呈現(xiàn)p型特征,但由于空穴的相互作用使得載流子局域性很強(qiáng),從而降低氮的固溶度,在費(fèi)米能級(jí)附近形成深受主

3、能級(jí),限制了載流子濃度,不利于p型ZnO的形成。3)對(duì)Zn1-xMxO(M=Sn,Y)的電子結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn),摻雜體系均呈現(xiàn)n型特征。但是Sn摻雜ZnO體系發(fā)生紅移現(xiàn)象,Y摻雜ZnO體系發(fā)生藍(lán)移現(xiàn)象,而且,在高摻雜條件下,濃度越低,體系的導(dǎo)電率越高。
　　 2、研究了共摻雜對(duì)p型ZnO的電學(xué)性質(zhì)的影響。1)對(duì)于(nN,Mg)共摻雜ZnO,計(jì)算了體系的缺陷形成能、離化能、結(jié)合能和導(dǎo)電因子以及電子結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn),4N-Mg共摻雜ZnO,

4、可以得到低離化能和高電導(dǎo)率的p型ZnO。2)對(duì)于(N,Ag)共摻雜ZnO,結(jié)果表明:隨著N濃度增加,p型導(dǎo)電性增強(qiáng),當(dāng)N與Ag的濃度達(dá)到3:1時(shí),導(dǎo)電性最強(qiáng)。3)對(duì)于(nN,B)共摻雜模型,研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)N與B濃度比為1:1時(shí),表現(xiàn)為本征態(tài)。但是在該濃度比下,存在一個(gè)Zn空位時(shí),體系逐漸由本征態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿鮬型。當(dāng)逐漸增加N的濃度時(shí),體系逐漸表現(xiàn)為強(qiáng)p型。4)對(duì)于F—Li共摻雜ZnO,研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):Li濃度增加時(shí),可以提高p型導(dǎo)電率。

5、　　 3、研究了ZnO(1010)表面缺陷對(duì)其電學(xué)性質(zhì)的影響。1)計(jì)算了純凈ZnO(1010)表面的表面能、電子結(jié)構(gòu)和功函數(shù)。結(jié)果表明,ZnO(1010)表面的表面能最小,是解理面。從分波態(tài)密度圖中發(fā)現(xiàn),在表面形成成鍵的表面態(tài)。2)計(jì)算了含有空位缺陷的ZnO(1010)表面的形成能、表面能和電子結(jié)構(gòu)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),表面Zn空位和O空位對(duì)對(duì)晶格畸變影響都較大,空位更易在表面形成。含Zn空位時(shí),表現(xiàn)為弱p型。含O空位時(shí),具有n型的特征。3)采

6、用Nudged ElasticBand(NEB)方法研究了ZnO(101O)面中的本征缺陷擴(kuò)散的問題。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):Zn間隙的直接擴(kuò)散至次近鄰的間隙位所需要克服的勢(shì)壘最小,表明直接擴(kuò)散是Zn間隙的直接擴(kuò)散是其最有可能的擴(kuò)散機(jī)制。Zn空位的直接擴(kuò)散勢(shì)壘比較高,表明Zn空位在ZnO(1010)表面較易穩(wěn)定存在；O間隙的直接擴(kuò)散的勢(shì)壘較高,這說明氧原子在表面的不易擴(kuò)散,比較穩(wěn)定；O空位由第一層擴(kuò)散到第二層的直接擴(kuò)散勢(shì)壘很高,這表明ZnO(10