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(lán)光和紫外光發(fā)射、高密度存儲(chǔ)、氣敏傳感器、表面聲波器件、太陽(yáng)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(mén)的研究課題。目前，盡管對(duì)ZnO電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)、表面和界面等方面進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)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(shì)方法，對(duì)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(jìn)行了研究，所用軟件為MaterialsStudio3.2中的CASTEP軟件。主要研究?jī)?nèi)容及其結(jié)果如下： 一、計(jì)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(cè)是一種直接禁帶半導(dǎo)體材料，導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂都位于布里淵區(qū)中心Γ點(diǎn)處，直接帶隙3.37eV。 二、利用材料模擬軟件CASTEP精確計(jì)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(duì)介電譜圖和反射譜圖的峰值進(jìn)行了指認(rèn)和判別，為試驗(yàn)圖譜解析和精確監(jiān)測(cè)和控制ZnO材料的生長(zhǎng)提供了理論依據(jù)。 三、計(jì)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(duì)ZnO電子結(jié)構(gòu)與光學(xué)性質(zhì)的影響，對(duì)ZnO帶隙隨壓力增大而展寬的現(xiàn)象進(jìn)行分析。結(jié)果表明：隨著壓力的逐漸增大，ZnO鍵長(zhǎng)縮短，價(jià)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(qiáng)。 四、探討了ZnO的n型摻雜、p型摻雜以及p型共摻雜機(jī)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(xiàn)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(duì)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(jí)，載流子(空穴)局域于價(jià)帶頂附近。而利用加入激活施主的共摻雜技術(shù)的計(jì)算的結(jié)果卻表明受主能級(jí)向低能方向移動(dòng)，形成了淺受主