内在缺陷与Cu掺杂共存对ZnO电磁光学性质影响的第一性原理研究

采用基于自旋密度泛函理论的平面波超软赝势方法,研究了Cu掺杂ZnO (简称Cu_(Zn))与内在缺陷共存对ZnO电磁光性质的影响.结果表明,Cu是以替位受主的形式掺入的;制备条件对Cu_(Zn)及内在缺陷的形成起至关重要的作用,富氧条件下Cu掺杂有利于内在缺陷的形成,且Cu_(Zn)-O_i最易形成;相反在缺氧条件下,Cu掺杂不利于内在缺陷的形成.替位Cu的3d电子在价带顶形成未占据受主能级,产生p导电类型.与Cu_(Zn)体系相比,Cu_(Zn)-V_O体系中载流子浓度降低,导电性变差;Cu_(Zn)-V_(Zn)体系中载流子浓度几乎不变,对导电性没影响;Cu_(Zn)-O_i体系中载流子浓度升高,导电性增强.纯ZnO体系无磁性;而Cu掺杂ZnO体系,与Cu原子相连的O原子,电负性越小,键长越短,对磁矩贡献越大;Cu_(Zn)与Cu_(Zn)-O_i体系中的磁矩主要是Cu的3d电子与Z轴上O的2p电子耦合产生的;Cu_(Zn)中存在空位缺陷(V_O,V_(Zn))时,磁矩主要是Cu 3d电子与XY平面内O的2p电子强烈耦合所致;Cu_(Zn)中存在V_(Zn)时,磁性还包含V_(Zn)周围0(5, 6)号原子2p轨道自旋极化的贡献;所有体系中Zn原子自旋对称,不产生磁性.Cu_(Zn)-V_(Zn)和Cu_(Zn)-O_i缺陷能态中,深能级中产生的诱导态是0-0 2s电子相互作用产生的.Cu_(Zn)模型的光学带隙减小,导致吸收边红移;Cu_(Zn)-V_(Zn)模型中吸收和反射都增强,使得透射率降低.     

非故意掺杂碳对ZnMnO:N磁性影响的实验与理论研究

利用金属有机源化学气相沉积技术, 通过改变受主掺杂源和导入氢气并提高生长压力来逐步抑制C的办法, 在蓝宝石上外延了Mn, N共掺ZnO薄膜. X射线衍射显示所有样品都具有良好的单轴取向. ZnMnO:N样品的Raman光谱中C元素相关的振动模明显消失. 同时van der Pauw法Hall效应测量表明, 通过逐步对C的抑制, 样品由n型导电转变成p型导电, 这主要是由于C与N形成复合体取代O位(CN)O, 具有最低形成能且充当浅施主. 对N, Mn共掺ZnO晶体的第一性原理模拟计算显示了N, Mn共掺ZnO的态密度在Fermi能级处存在较强的自旋极化, 表明N 2p电子与Mn 3d电子之间存在较强的p-d相互作用, 形成磁性束缚激子产生磁矩. 一旦引入C后, C, N形成复合体取代O位, 导致体系磁性减弱或者消失. 模拟计算结果与实验表征分析结果一致表明: 对于Mn, N共掺ZnO薄膜样品, 引入C与N形成复合体取代O位, Mn, N共掺ZnO薄膜磁性减弱或消失. 因此, Mn 3d电子与N 2p局域束缚的电子形成的磁性束缚激子决定了Mn, N共掺ZnO薄膜室温铁磁信号的产生.     

Al和N共掺p型Zn1-xMgxO电子结构的第一性原理计算

采用密度泛函理论下的第一性原理平面波超软赝势方法,对Zn1-xMgxO超晶胞和掺杂Al,N后的Zn1-xMgxO超晶胞分别进行了优化计算.结合广义梯度近似计算了Al和N共掺杂后Zn1-xMgxO的能带结构、电子态密度和Mulliken电荷布居分布.计算表明:掺入N原子的2p态电子为Zn1-xMgxO价带顶提供空穴载流子,使Zn1-xMgxO价带顶向高能方向移动;掺入Al原子的3p态电子则与N原子的2p态电子在费米能级附近发生轨道杂化,使费米能级处价带能级展宽,Al和N共掺杂可获得p型Zn1-xMgxO.     

表面悬挂键导致硅纳米线掺杂失效机理的第一性原理研究

利用第一性原理方法, 本文计算了B/N单掺杂SiNWs, 以及含有表面悬挂键的B/N单掺杂硅纳米线的总能和电子结构, 计算结果表明, 悬挂键的出现会导致单原子掺杂失效. 能带结构分析表明, B/N掺杂的H钝化的SiNWs表现出正常的p/n特性, 而表面悬挂键(dangling binding, DB)的存在会导致p型(B原子)或者n型(N原子)掺杂失效; 其失效的原因主要是因为表面悬挂键所引入的缺陷能级俘获了n型杂质(p型杂质)所带来的电子(空穴); 利用小分子(SO₂)吸附饱和悬挂键可以起到激活杂质的作用, 进而实现Si纳米线的有效掺杂.     

Zn空位对Al-P共掺杂ZnO电子结构影响的第一性原理计算

采用第一性原理平面波赝势法计算ZnO（Al,P）体系的晶格参数和电子结构,重点分析Zn空位对体系晶体结构、形成能、态密度的影响.计算结果表明：Al和P共掺杂过程中,Al_Zn-P_Zn有更低的形成能,能带分析呈现n型.并随着Zn空位浓度的增大使得掺杂后的晶胞体积减小,晶格常数c先增大后减小.存在Zn空位的掺杂体系形成能比Al_Zn-P_O掺杂体系低,体系较稳定.能带分析呈现p型趋势.Al和P以1∶2的比例掺杂时,体系的形成能降低,体系更稳定;同时,比较1个V_Zn和2个V_Zn的Al_Zn-P_Zn共掺杂体系的能带结构发现,随着Zn空位浓度增大,带隙增大,体系p型化特征增强.Al_Zn-2P_Zn共掺杂体系带隙减小为0.56 eV,更有利于提高其导电性质.然而出现2V_Zn后,带隙增大为0.73 eV,小于本征ZnO带隙,p型化程度更强烈;此外态密度分析表明2V_Zn的Al_Zn-2P_Zn共掺杂使得态密度更加分散,更多的电子穿过费米能级使得p型化更明显.因此,将Al/P按1∶2的比例共掺且Zn空位增至2个时,可以获得导电性能更好的p型ZnO.     

La掺杂和空位对ZnS磁性和光学性能影响的第一性原理研究

利用密度泛函理论框架下的平面波超软赝势法,通过第一性原理对La掺杂与Zn空位(V_(Zn))及La掺杂与S空位(V_S)共存的ZnS体系的电子结构、磁性机理、形成能及吸收光谱进行了研究.结果表明, La掺杂与空位(V_(Zn)或V_S)的空间位置最近时,掺杂体系的形成能最低,体系最稳定.另外,La掺杂与Zn空位共存时,体系具有磁性,且体系的净磁矩与La原子与Zn空位的相对位置有关;La掺杂与S空位共存时,掺杂体系无磁性,但此时体系的禁带宽度最窄且吸收光谱红移最显著.     

Ti,Cu和Zn掺杂AlN纳米片电磁性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的全势线性缀加平面波法(FP-LAPW)研究了过渡金属Ti,Cu,Zn掺杂Al N纳米片的电子结构、磁性和稳定性.结果表明,Ti,Cu,Zn单掺杂均表现出半金属铁磁性,磁性主要是由于杂质原子的3d态与近邻N原子的2p态的轨道杂化.形成能的计算结果表明Ti掺杂Al N体系相对Cu和Zn掺杂结构更稳定.因此,相比于Cu和Zn,Ti掺杂Al N纳米片更适合用来制作稀磁半导体.     

Al-N共掺杂ZnO电子结构和光学性质

基于密度泛函理论的第一性原理,分析了Al-N共掺杂ZnO的电子结构和光学性质。计算了Al-N复合体共掺ZnO的结合能,发现Al-N复合体可以在ZnO中稳定存在,因此Al-N共掺可以提高N在ZnO的固溶度。研究表明:N掺杂ZnO体系,由于N-2p和Zn-3d态电子轨道杂化作用,在费米能级附近引入深受主能级,价带顶和导带底发生位移,导致禁带宽带变窄。而Al-N共掺杂体系,适当控制Al和N的比例,克服了N单掺杂时受主间的相互排斥,降低了受主能级,对改善ZnO的p型掺杂有重要意义。在Al-N共掺ZnO中,Al的引入,导致共掺体系的禁带宽度减小,吸收带边红移,实验现象证实了这一结果。     

Mg和Zn掺杂CuAlS2电子结构的分析

从能带结构和态密度分析了黄铜矿CuAlS₂的电子结构.对比未掺杂CuAlS₂,从晶体结构、电子结构、电荷密度分布讨论了Mg和Zn替位Al掺杂对CuAlS₂的影响.结果表明:Mg和Zn掺杂CuAlS₂都导致晶格常数增大,Mg掺杂晶胞体积增大更多;掺杂在价带顶引入受主态,形成p型电导;Mg掺杂比Zn掺杂的受主能级电离能略小;而Zn掺杂CuAlS₂体系总能更低,晶格结构更稳定. 关键词： 2')" href="#">CuAlS₂ p型掺杂 电子结构 能带结构     

Ag-N共掺p型ZnO的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势法对Ag-N共掺杂ZnO体 系以及间隙N和间隙H掺杂p型ZnO: (Ag, N)体系的缺陷形成能和离化能进行了研究. 结果表明, 在Ag_Zn和N_O所形成的众多受主复合体中, Ag_Zn-N_O受主对不仅具有较低的缺陷形成能同时其离化能也相对较小, 因此, Ag_Zn-N_O受主对的形成是Ag-N共掺ZnO体系实现p型导电的主要原因. 研究发现, 当ZnO: (Ag, N)体系有额外间隙N原子存在时, Ag_Zn-N_O受主对容易与N_i形成Ag_Zn-(N₂)_{m O}施主型缺陷, 该施主缺陷的形成降低了Ag-N共掺ZnO的掺杂效率因而不利于p型导电. 当间隙H引入到ZnO: (Ag, N)体系时, H_i易与Ag_Zn-N_O受主对形成 受主-施主-受主复合结构(Ag_Zn-H_i-N_O), 此复合体的形成不仅提高了Ag_Zn-N_O受主对在ZnO中的固溶度, 同时还能使其受主能级变得更浅而有利于p型导电. 因此, H辅助Ag-N共掺ZnO可能是一种有效的p型掺杂手段. 关键词： p型ZnO 缺陷形成能 受主离化能 第一性原理     

用电化学沉积法制备ZnO/Cu2O异质p-n结

由于P型ZnO的制备仍然存在一定的困难,限制了ZnO在光电方面的应用,尤其是在发光二极管和激光器的实际应用,目前利用P型的透明半导体氧化物与n型ZnO制备异质p-n结,成为新的研究热点。选择P型导电Cu2O与ZnO制备出异质p-n结。Cu2O是一种典型的P型半导体材料,禁带宽度为2．1eV,可见光范围的吸收系数较高。首次利用电化学沉积的方法制备了ZnO／Cu2O异质p-n结,研究了电沉积ZnO,Cu2O的生长机制和ZnO／Cu2O异质结的结构、光学和电学特性。     

Recent progress of the native defects and p-type doping of zinc oxide

Zinc oxide(ZnO) is a compound semiconductor with a direct band gap and high exciton binding energy.The unique property,i.e.,high efficient light emission at ultraviolet band,makes ZnO potentially applied to the short-wavelength light emitting devices.However,efficient p-type doping is extremely hard for ZnO.Due to the wide band gap and low valence band energy,the self-compensation from donors and high ionization energy of acceptors are the two main problems hindering the enhancement of free hole concentration.Native defects in ZnO can be divided into donor-like and acceptorlike ones.The self-compensation has been found mainly to originate from zinc interstitial and oxygen vacancy related donors.While the acceptor-like defect,zinc vacancy,is thought to be linked to complex shallow acceptors in group-VA doped ZnO.Therefore,the understanding of the behaviors of the native defects is critical to the realization of high-efficient p-type conduction.Meanwhile,some novel ideas have been extensively proposed,like double-acceptor co-doping,acceptor doping in iso-valent element alloyed ZnO,etc.,and have opened new directions for p-type doping.Some of the approaches have been positively judged.In this article,we thus review the recent(2011-now) research progress of the native defects and p-type doping approaches globally.We hope to provide a comprehensive overview and describe a complete picture of the research status of the p-type doping in ZnO for the reference of the researchers in a similar area.     

ZnO中Li相关缺陷结构性质

采用第一性原理量子力学分子动力学方法,基于32个原子的超原胞模型,计算了ZnO中各种Li相关缺陷的有关几何和电子结构。通过不同模型的计算分析表明,ZnO中Li杂质在间隙位上的总能比替位Zn格位的能量更低,但却形成施主能级。进一步通过构造Li替Zn位Li_Zn与不同本征缺陷所构成的复合体结构,并对模拟计算的结果进行分析比较得出,O反位O_Zn可与Li_Zn形成比Li间隙位更稳定的复合体,可高溶解度地稳定存在于ZnO中,并在禁带中产生受主能级,是较好的p型导电性候选缺陷。     

The effects of thermal annealing in NH3 -ambient on the p-type ZnO films

Thermal annealing in NH₃-ambient was carried out to form p-type ZnO films. The properties were examined by X-ray diffraction (XRD), Hall-effect measurement, photoluminescence (PL), and secondary ion mass spectrometry (SIMS). Electron concentrations in ZnO films were in the range of 10¹⁵–10¹⁷/cm³ with thermal annealing in NH₃-ambient. The activation thermal annealing process was needed at 800 C under N₂-ambient to obtain p-type ZnO. The electrical properties of the p-type ZnO showed a hole concentration of 1.06×10¹⁶/cm³, a mobility of 15.8 cm²/V s, and a resistivity of 40.18 Ω cm. The N-doped ZnO films showed a strong photoluminescence peak at 3.306 eV at 13 K, which is closely related to neutral acceptor bound excitons of the p-type ZnO. The incorporation of nitrogen was confirmed in the SIMS spectra.     

表面效应对Li掺杂的ZnO薄膜材料p型电导的影响

利用第一性原理的方法研究了在ZnO非极性表面和极性表面的不同原子层中, 分别用Li原子去替位Zn原子(记为Li_Zn)后的相对稳定性和热离化能. 计算结果表明Li_Zn处于ZnO表面区域时的稳定性优于在ZnO体中时的稳定性, 并且Li_Zn在表面区域的热离化能要比它在体结构中的热离化能大很多, 于是, ZnO表面效应的存在会使Li掺杂的ZnO薄膜材料的p型导电能力大幅度降低. 这个结果对低维ZnO体系p型掺杂有着重要的指导意义. 我们进一步发现, 在不同的ZnO表面区域里Li_Zn的热离化能会表现出很大的差异是源于不同的表面具有不同的静电势分布.     

Ni/Au与N掺杂p型ZnO的欧姆接触

研究了Au,In,Ni/Au三种不同金属膜与N掺杂p型ZnO的接触特性,发现Ni/Au双层膜更适合作为其欧姆电极材料,并比较了不同气氛和不同温度退火对Ni/Au电极的影响.发现在O₂中退火电极性能发生蜕变,而在N₂中退火性能得到改善.指出即使在N₂中退火,退火温度的选择也是至关重要的,本实验在400℃,氮气气氛下退火150s,得到了较好的欧姆接触特性.