氧化锌薄膜光电功能材料研究的关键问题

氧化锌薄膜光电功能材料是近年来新发展起来的研究课题,由于它在短波长光电信息功能材料方面具有潜在的应用前景而备受关注.为了开发ZnO结型光电器件,目前首先需要解决高质量ZnO单晶薄膜的外延及p型掺杂等关键问题.综合国内外的研究结果,结合我们的工作,叙述了利用多晶格匹配原理通过过渡层在Si衬底上异质外延高质量ZnO薄膜,介绍了用SiC作过渡层生长ZnO薄膜的有关问题.对ZnO的p型掺杂,分析了制备p型ZnO的困难和利用Ⅲ-Ⅴ族共掺杂方法生长p型ZnO的作用和优点.     

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。     

Evidence for native-defect donors in n-type ZnO

Recent theory has found that native defects such as the O vacancy V(O) and Zn interstitial Zn(I) have high formation energies in n-type ZnO and, thus, are not important donors, especially in comparison to impurities such as H. In contrast, we use both theory and experiment to show that, under N ambient, the complex Zn(I)-N(O) is a stronger candidate than H or any other known impurity for a 30 meV donor commonly found in bulk ZnO grown from the vapor phase. Since the Zn vacancy is also the dominant acceptor in such material, we must conclude that native defects are important donors and acceptors in ZnO.     

p型K:ZnO导电机理的第一性原理研究

基于密度泛函理论,利用局域密度近似的第一性原理平面波赝势方法,对掺K以及含有氢填隙(H_i)、氧空位(V_O)、锌填隙(Zn_i)和锌空位(V_Zn)的K:ZnO电子结构分别进行了研究.结果表明,1) 单独掺K可引入浅受主,但系统总能增高;2) K与H共掺可降低系统总能,提升稳定性;3) V_O在K+H:ZnO中的形成比Zn_i困难得多,二者都是 关键词： 氧化锌 p型 第一性原理 电子结构     

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     

闪锌矿结构AlSb空位缺陷性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)第一性原理的平面波超软赝势方法,计算含有锑空位和铝空位的AlSb电子结构,发现空位引起周围原子弛豫,晶体结构发生畸变.在此基础上研究了空位缺陷对闪锌矿型AlSb体系电子结构的影响,结果表明,铝空位缺陷使锑化铝费米能级降低,带隙变窄;而锑空位缺陷则使锑化铝费米能级升高,带隙变窄,同时,锑化铝的半导体类型由p型变为n型.对光学性质的研究发现,由于空位的引入使其邻近原子电子结构发生变化,使得空位缺陷系统光学性质的变化主要集中在低能量区域.     

闪锌矿结构AlSb空位缺陷性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)第一性原理的平面波超软赝势方法，计算含有锑空位和铝空位的电子结构，发现空位引起周围原子弛豫，晶体结构发生畸变。在此基础上研究了空位缺陷对闪锌矿型AlSb体系电子结构的影响，结果表明，铝空位缺陷使锑化铝费米能级降低，带隙变窄；而锑空位缺陷则使锑化铝费米能级升高，带隙变窄，同时，锑化铝的半导体类型由p型变为n型。对光学性质的研究发现，由于空位的引入使其邻近原子电子结构发生变化，使得空位缺陷系统光学性质的变化主要集中在低能量区域。     

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.     

替位和间隙原子N对ZnO电子结构和光学性质的影响

本文采用密度泛函理论，深入研究了N作为替位和间隙原子对ZnO电子结构和光学性质的影响，结果表明：由于N在八面体间隙位置的形成能小所以更倾向于占据八面体间隙位置；N掺杂ZnO会形成p型半导体；N在间隙位置能够明显的缩小带隙宽度，可以有效的促进ZnO对光的吸收；在可见光区，处于间隙位置的N具有良好的光学吸收谱并且产生明显的红移，这与带隙的变化规律一致。     

Co，Cu共掺杂ZnO薄膜的结构及发光特性

采用电子束蒸发沉积成膜工艺在单晶Si(111)衬底上制备出Co,Cu共掺杂的Zn0.85-xCo0.15CuxO(x=0,0.04,0.06)多晶膜。采用X射线衍射(XRD)研究了Co、Cu掺杂对其微结构的影响;室温下测量了Zn0.85-xCo0.15CuxO薄膜的光致发光谱,发现随着Cu掺杂量的增加,样品发光增强,当Cu掺杂x=0.06时,Zn0.85-xCo0.15CuxO薄膜的PL谱中出现了较强的双峰蓝光发射;分析了掺杂含量对其发光性能的影响,并对样品的发光机制进行了探讨,并推断出蓝光峰来源于电子由导带底到锌空位(VZn)能级的跃迁及锌填隙(Zni)能级到价带顶的跃迁。     

通过交替生长气氛调控N掺杂ZnO薄膜电学特性

使用分子束外延方法在c面蓝宝石衬底上生长了系列氮掺杂ZnO薄膜样品。在连续的富锌气氛环境中生长的样品,由于存在大量的施主缺陷,呈现n型电导。为了抑制施主缺陷带来的补偿效应,在生长过程中,通过周期性补充氧气,形成周期性的富氧气氛,缓解了氮掺杂浓度和施主缺陷浓度之间的矛盾。光致发光测量表明,通过交替生长气氛,氧空位和锌间隙等缺陷在薄膜中得到了显著抑制。通过交替生长气氛生长的外延薄膜的结晶质量也有所提高。样品显示出重复性较高的p型电导,载流子浓度可达到10¹⁶ cm^-3。周期性补氧调节生长气氛的生长方式是一种有效实现p型掺杂ZnO的方法。     

Interplay of native defect-related photoluminescence response of ZnO nanosticks subjected to 80 keV Ar ion irradiation

We report on the effect of 80 keV Ar⁺ ion irradiation on the luminescence response of zinc oxide (ZnO) nanosticks synthesized using a simple microemulsion route. The formation of nanoscale rods was confirmed from the transmission electron microscopy, whereas the hexagonal wurtzite phase of the nanorods was detected in an X-ray diffraction pattern. The photoluminescence pattern of the nanorods was dominated by various native defect states of ZnO, which are responsible for the quenching of the typical band edge emission of ZnO. Under Ar⁺ ion irradiation at a fluence of 1×10¹³ ions/cm², the band edge emission was recovered owing to the suppression of oxygen vacancy defects. In addition, the formation of new zinc vacancy and ionized zinc interstitial defects were also evident. Conversely, the band edge emission was found to be quenched as a result of the creation of more oxygen vacancy (V_O) defects due to ion irradiation (fluence: 1×10¹⁵ ions/cm²). The nuclear energy loss of the Ar⁺ ions in ZnO is responsible for the formation of point (vacancy-related) defects, while relatively small amount of electronic energy loss of the Ar⁺ ion results in the ionization of the neutral zinc interstitial (Zn_i) defects. The energy deposition scheme of the energetic ions has been elaborated with the help of theoretical modeling that explains the observed features quite satisfactorily.     

纤锌矿结构ZnO中定位Ga-N共掺杂对p型掺杂效率的影响

采用第一性原理和密度泛函理论的方法,计算未掺杂、N单掺杂和Ga-N共掺杂纤锌矿结构ZnO的总能、电荷密度和能带结构.总能计算表明,Ga原子的共掺杂使总能极大地降低,从而显著提高杂质N原子在ZnO中的稳定性.电荷密度分布显示,总能的降低主要是Ga-N共掺杂后Ga原子的3d态和N原子的2p态电子之间的强杂化相互作用所致.特别是在Ga原子的负电荷和N原子的正电荷沿c轴排成一线的共掺杂构型中,较大的局域极化场的变化引起价带顶向禁带中的大分裂,降低了N受主的激活能,将空穴的浓度提高了三个量级,有效地提高p型掺杂效率.     

Se+注入ZnSe晶体的深能级研究

将Se离子注入到ZnSe晶体中,用深能级瞬态谱仪(DLTS)测量了注Se+前后ZnSe晶体中深能级的变化,发现在ZnSe中经常出现的分别位于导带下0.30eV和0.33eV的两个能级在注Se+和退火后消失。这个结果进一步证实了Beomi等人提出的以上两个能级分别与Se双空位和包含一个Se单空位的复合体有关的论点。同时注Se+后在导带下0.34eV出现一个新的能级,其电子俘获截面明显区别于0.33eV能级。该能级可能与Se填隙原子或占Zn位的反位Se原子有关。     

空位缺陷对β-AgVO_3电子结构和光吸收性能的影响

基于密度泛函的第一性原理研究了Ag空位、O空位和Ag-O双空位对β-AgVO_3的电子结构及光学性质的影响.采用广义梯度近似平面波超软赝势GGA+U方法,对不同缺陷体系的形成能、能带结构、电子态密度、差分电荷密度和吸收光谱进行了计算和分析.通过比较不同Ag空位和O空位的形成能,确定了β-AgVO_3中主要形成Ag3空位和O1空位,并且Ag空位较O空位更容易形成.Ag3空位和O1空位的存在都使得β-AgVO_3带隙有一定程度的减小;Ag3空位使β-AgVO_3呈现p-型半导体性质,而O1空位和Ag3-O1双空位使β-AgVO_3呈现n-型半导体性质.Ag3和O1空位对晶体在可见光范围内的光吸收影响较小.     

First-principles study of the co-effect of carbon doping and oxygen vacancies in ZnO photocatalyst

Although tuning band structure of optoelectronic semiconductor-based materials by means of doping single defect is an important approach for potential photocatalysis application,C-doping or oxygen vacancy(Vo)as a single defect in ZnO still has limitations for photocatalytic activity.Meanwhile,the influence of co-existence of various defects in ZnO still lacks sufficient studies.Therefore,we investigate the photocatalytic properties of ZnOx C0.0625(x=0.9375,0.875,0.8125),confirming that the co-effect of various defects has a greater enhancement for photocatalytic activity driven by visible-light than the single defect in ZnO.To clarify the underlying mechanism of co-existence of various defects in ZnO,we perform systematically the electronic properties calculations using density functional theory.It is found that the coeffect of C-doping and Vo in ZnO can achieve a more controllable band gap than doping solely in ZnO.Moreover,the impact of the effective masses of ZnO_xC_0.0625(x=0.9375,0.875,0.8125)is also taken into account.In comparison with heavy Vo concentrations,the light Vo concentration(x=0.875)as the optimal component together with C-doping in ZnO,can significantly improve the visible-light absorption and benefit photocatalytic activity.     

Mg掺杂ZnO纳米晶的低温共沉淀法制备及光学性质

采用共沉淀(co-precipitation)法制备了Mg掺杂ZnO纳米晶,分别用X射线衍射(XRD)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、紫外可见吸收(UV-Vis)光谱、光致发光(PL)光谱、透射电镜(TEM)、电子顺磁共振(EPR)等分析手段对样品进行了表征。探究了Mg离子在ZnO纳米晶中的存在状态,ZnO纳米晶颗粒尺寸和发射光谱随Mg掺杂浓度的变化,并对其发光机理进行了分析。结果表明:Mg离子在ZnO晶格中以部分晶格位,部分间隙位的方式存在,没有形成MgO表面壳层结构;随Mg掺杂浓度的增大,ZnO纳米晶的颗粒尺寸变小,发射光的光强增大。发射光的最佳激发波长为342nm,中心波长为500nm,荧光量子产率为22.8%。实验分析表明:Mg离子的掺杂在ZnO纳米晶中引入了锌空位(VZn),间隙位的镁离子(IMg),提供了新的复合中心,从而增强了ZnO纳米晶的光致发光。     

The Formation of Defect Complexes in a ZnO Grain Boundary

The microscopic properties a ZnO grain boundary containing extrinsic point defects are studied using a density functional computational approach. The results show that the grain boundary acts as a sink for native defects, such as the zinc vacancy and the oxygen interstitial, and also for bismuth substitutional impurities. The defects tend to accumulate at under-coordinated sites in the boundary core and prefer to form small clusters. In particular the segregation of Bi promotes the formation of the other native defects by lowering their formation energies in the boundary. Individually, the native defects and the Bi impurity do not produce deep interface states in the band gap which are electrically active. However, when the defects cluster to form a Bi_Zn-V_Zn-O_i complex, new gap states are created of acceptor type. It is suggested that these new states are caused by defect interactions which compensate one another resulting in the depletion of an occupied impurity state and new bond formation. The results are discussed in terms of the Schottky barrier model commonly used to describe the electrical characteristics of ZnO varistors.     

氧化锌中中性氮杂质第一性原理研究

以第一性原理计算为基础,研究了氧化锌中中性氮杂质的原子和电子结构、缺陷形成能等．根据计算结果,氮杂质为深受主,因此对氧化锌的p型导电性没有贡献．在各种中性氮杂质中,替代氧位的氮有最低的形成能和最浅的受主能级,在富氧条件下替代锌位的氮的形成能次之．氮间隙在四面体位置不稳定,会自动弛豫到kick-out结构．尽管氮可能会占据八面体间隙位置,但由于形成能过高因此其浓度会较低．同时还讨论了各种掺杂情形下的电荷密度分布,得到了自洽的结果.     

纳米ZnO薄膜的光致发光性质

利用溶胶－凝胶法制备了纳米ZnO薄膜,室温下测量了样品的光致发光谱(PL)、吸收谱(ABS)、X射线衍射谱(XRD)．X射线衍射(XRD)的结果表明：纳米ZnO薄膜呈多晶状态,具有六角纤锌矿晶体结构和良好的C轴取向．观察到二个荧光发射带,中心波长分别位于395 nm的紫带、524 nm的绿带和450 nm附近的蓝带．证实了纳米ZnO薄膜绿光可见发射带来自氧空位(VO)形成的浅施主能级和锌空位(VZn)形成的浅受主能级之间的复合;450 nm附近的蓝带来自电子从VO的浅施主能级到价带顶或锌填隙(Zni) 到价带顶或导带底到VZn的浅受主能级的复合．