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文檔簡介
1、透明導(dǎo)電氧化物薄膜以其優(yōu)異的光電性能引人矚目,SnO2材料因帶隙寬、激子束縛能高等特性而具有優(yōu)越的光電性能,被公認(rèn)為下一代半導(dǎo)體材料中理想的候選光電透明導(dǎo)電氧化物薄膜(TCO)材料。其摻雜形成的氧化物半導(dǎo)體光、磁、電學(xué)性質(zhì)得到了較大的改善,但目前由于對p型SnO2摻雜的作用機理及導(dǎo)電特性認(rèn)識不清,其實用型的SnO2基摻雜氧化物半導(dǎo)體并未得到工業(yè)化應(yīng)用,主要局限于透明電極、紅外反射涂層膜等方面,制備真正意義上的“透明導(dǎo)電器件”有待進(jìn)一步的
2、研究和發(fā)展。自然界中大多透明氧化物都是n型半導(dǎo)體材料,而良好性能的p型氧化物薄膜材料少之又少。目前的p型氧化物薄膜材料一般比n型材料電導(dǎo)率低3-4個數(shù)量級,因此很難實現(xiàn)全透明器件的p-n結(jié),具有優(yōu)良光電性能的p型氧化物材料是亟待解決的問題。由于氮與氧的離子半徑(N3+:1.71;O2-:1.32)和電負(fù)性(N:3;O3.5)非常接近,非常適合作為p型摻雜劑,本文是以密度泛函理論的第一性原理為基礎(chǔ),采用全勢線性綴加平面波方法(FPLAPW
3、)和廣義梯度近似(GGA)分析了N摻雜不同結(jié)構(gòu)體系SnO2的電子結(jié)構(gòu),本文中的所有分析均采用WIEN2K工具輔助完成的。
首先,分析了N:SnO2材料的電子結(jié)構(gòu),其中N替代體心位置的Sn原子。結(jié)果顯示,體系禁帶寬度變窄,這是由于N雜質(zhì)中2p態(tài)電子進(jìn)入O、Sn的外層軌道發(fā)生雜化作用,并且在能量為1.63~2.38eV范圍內(nèi)形成一條窄的深受主能級,即雜質(zhì)能級,分析可知N元素是比較理想的p型摻雜劑。摻雜后的材料呈現(xiàn)出了半金屬特性
4、,增強了材料的導(dǎo)電性能。其介電函數(shù)和光學(xué)吸收譜均產(chǎn)生了3個主躍遷峰,并且發(fā)生了紅移,且光學(xué)吸收邊變寬,增大了材料的光學(xué)響應(yīng),這主要是各躍遷峰與電子從價帶到導(dǎo)帶的躍遷吸收相關(guān)。
為了深入了解N摻雜對SnO2性能的影響,對比分析了N替代不同Sn原子位的電子結(jié)構(gòu),分析了Sn1-xNxO2體系的態(tài)密度,能帶結(jié)構(gòu)和光學(xué)介電函數(shù)。結(jié)果表明:摻雜后體系的帶隙先減小后增大,在12.5%時帶隙最窄,亦導(dǎo)電性能最強。費米能級向低能方向移動進(jìn)入
5、了價帶,在0.55~1.05eV范圍形成了一條窄的淺受主能級,并且價帶頂附近產(chǎn)生了多余的載流子.空穴。摻雜后價帶和導(dǎo)帶處的能級均出現(xiàn)了劈裂及軌道的重疊現(xiàn)象。晶胞的電子布局?jǐn)?shù)、磁矩及總能量隨著摻雜濃度變大,其中N原子決定了磁矩的大小。摻雜后電虛部函數(shù)ε2(ω)譜中出現(xiàn)了三個主躍遷峰,各躍遷峰是由能級間的電子躍遷產(chǎn)生的,且體系的光學(xué)吸收邊增寬,主躍遷峰位發(fā)生了紅移,反射率與介電譜相對應(yīng),各躍遷峰值都與電子的躍遷吸收有關(guān)。
再次
6、,分析了在O原子位上摻雜不同濃度N的SnO2超晶胞結(jié)構(gòu)的電子結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明,費米能級向低能方向移動,隨著摻雜量的增加體系的禁帶寬度逐漸減小,與本征態(tài)電子結(jié)構(gòu)對比,在能量為1.35~2.50eV的范圍內(nèi)形成了雜質(zhì)帶。體系的介電虛部函數(shù)譜總體上無較大差異,在2.5eV、6.750eV、8.75eV和10.0eV的能量處出現(xiàn)了四個躍遷峰,三個主躍遷峰譜線向低能方向移動發(fā)生了紅移,各躍遷峰與電子自價帶到導(dǎo)帶的躍遷吸收有關(guān),對應(yīng)于折射率圖,并且隨
7、著摻雜量的增加折射率逐漸減小。
然后,分析了本征和N:SnO2體系反位替代后的電子態(tài)密度和光學(xué)性質(zhì)(介電函數(shù)、反射率、折射率、吸收系數(shù))。分析可知,相對純SnO2材料,反位替代后體系體現(xiàn)出金屬特性,N摻雜后體系的自旋極化率接近100%,使材料表現(xiàn)出了半金屬性,并且摻雜后體系的帶隙相對變寬,反位替代增強了材料的導(dǎo)電性能。摻雜后材料的光學(xué)性能也發(fā)生了較大的變化,體系產(chǎn)生一個新的介電峰,這主要是由N的2p軌道電子向Sn的Ss軌道
8、躍遷形成的。反射率、折射率、吸收系數(shù)均對應(yīng)于介電峰發(fā)生了藍(lán)移現(xiàn)象。這些都為反位替代在電學(xué)和光學(xué)方面的研究提供了理論依據(jù)。
之后,分析了本征和N摻雜的SnO2薄膜材料的電子態(tài)密度、介電函數(shù)、折射率和反射率。研究表明,未摻雜的兩種結(jié)構(gòu)均為半導(dǎo)體材料。在薄膜結(jié)構(gòu)的價帶頂部,電子占居較多,摻雜后的薄膜材料費米能級處自旋向下的態(tài)密度有電子占居,而自旋向上并沒有電子分布,體系的自旋極化率達(dá)到100%,呈現(xiàn)出半金屬特性,導(dǎo)電性能相對較強
9、,這主要來源于N-2p軌道的電子。材料的能量損失函數(shù)、反射率、折射率與介電函數(shù)存在一一對應(yīng)關(guān)系,各躍遷峰與電子間的躍遷有關(guān),體系產(chǎn)生了三個主躍遷峰,摻雜后出現(xiàn)了一個新躍遷峰,新峰的產(chǎn)生是由于N原子的引入,摻雜N原子后使體系的光電性能發(fā)生了較明顯的改變。
最后,對Sn16O31NI體系進(jìn)行注入電子和空穴,取得了有價值的成果,注入空穴比注入電子的Sn16O31NI體系禁帶寬度減小了0.02eV,比本征SnO2材料減小了1.12
10、eV,體系的費米能級向高能級移動,且分布著N_2p軌道的電子,此處的自旋極化率達(dá)到100%,由半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)榘虢饘俨牧?,?dǎo)帶也相對展寬,由此可見空穴注入對體系的導(dǎo)電性能有了很大的提高。三種體系均出現(xiàn)了三個介電峰,注入電子的體系與本征的光學(xué)曲線變化大致相同,且躍遷峰比較尖銳,注入電子后體系出現(xiàn)了紅移現(xiàn)象。注入空穴后體系的光學(xué)特性有明顯的變化,由于自旋極化的不同,其吸收系數(shù)、能量損失函數(shù)及折射率在高能區(qū)域發(fā)生反轉(zhuǎn),三種體系中以空穴注入的Sn1
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