氮掺杂(1120) ZnO 薄膜磁性质研究

采用基于密度泛函理论(DFT)和局域密度近似(LDA)的第一性原理分析了氮掺杂(1120) ZnO 薄膜的磁性质.首先,研究了一个N原子掺杂ZnO薄膜的磁性质,结果表明N 2p,O 2p和Zn 3d 发生自发自旋极化.其次,研究了二个N原子掺杂ZnO薄膜的磁性质,9个不同几何结构的计算结果表明N原子之间具有FM耦合稳定性,而且具体分析了N掺杂ZnO铁磁稳定性的产生原因.最后,讨论了氮 关键词： 第一性原理 半导体 铁磁性     

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.     

Mn-N共掺p型ZnO的第一性原理计算

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法对ZnO(Mn,N)体系的晶格结构、形成能、态密度以及电荷密度进行了计算和理论研究.研究结果表明,Mn和N共掺杂ZnO体系具有更低的杂质形成能和更高的化学稳定性,更加适合p型掺杂.Mn和N以1:2的比例掺杂时,体系的形成能降低,体系更稳定;同时,体系中形成双受主能级缺陷,使得杂质固溶度增大,体系中载流子数增多,p型化特征更明显.此外,研究发现相比于N单掺杂ZnO体系,Mn和N原子共掺杂ZnO体系有更多的杂质态密度穿越费米能级,在导带与价带之间形成更宽的受主N 2p的杂质态,同时空穴有效质量变小.与Mn-N共掺杂体系相比,Mn-2N共掺杂体系的受主杂质在费米能级附近的态密度更加弥散,非局域化特征明显.因此,Mn-N共掺杂有望成为p型掺杂的更有效的手段.     

Co掺杂闪锌矿ZnO的磁性和光学性质

采用自旋极化密度泛函理论方法对Co掺杂闪锌矿ZnO的能带结构、态密度、磁学和光学属性进行了研究.计算结果显示:Co掺杂闪锌矿ZnO的基态是反铁磁态,具有金属性特征;而铁磁态具有半金属性特征.铁磁耦合在费米能级附近出现了明显的自旋劈裂现象,表现出明显的不对称性和强烈的Co 3d和O 2p杂化效应.磁矩主要来源于Co 3d轨道电子以及部分近邻耦合的O 2p轨道电子,大小与Co原子的掺杂位置有关.光学性质计算结果显示,Co掺杂闪锌矿ZnO在可见光范围内都有较强的光吸收能力,吸收峰在高能区发生了红移现象.理论计算结果表明,Co掺杂闪锌矿ZnO或许是一种优异的磁光材料.     

Li-N, Li-2N共掺p型ZnO的第一性原理研究

利用密度泛函理论, 计算了本征ZnO, Li-N共掺杂ZnO及Li-2N共掺杂ZnO的电子结构. 计算结果表明, Li-N及Li-2N共掺杂ZnO体系的Fermi能级均不同程度地进入价带顶, 并在Fermi能级附近形成浅的受主能级, 这说明, Li, N原子共掺杂可获得稳定的p型ZnO;与Li-N掺杂ZnO体系相比, Li-2N掺杂ZnO体系进一步提高了体系的载流子浓度, 更有利于获得p型ZnO.     

射频辅助N掺杂ZnO薄膜的生长及其光电特性

在MOCVD设备中采用改进的射频辅助生长装置,通过裂解N2及N-Al共掺杂的方法进行ZnO的p型掺杂研究。通过二次离子质谱(SIMS)、X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)、光致发光(PL)谱等方法分析了薄膜中N杂质的浓度,以及射频功率与晶体质量、表面形貌以及光学特性之间的关系,并与Al掺杂和N掺杂的ZnO薄膜进行对比。实验结果表明,N掺杂的浓度高达1020cm-3;N-Al共掺杂极大地增加了ZnO的成核速率,其主要原因是N离化所起的作用;N-Al共掺的ZnO薄膜显示出p型性质,而N掺杂的ZnO薄膜由于N原子处于非激活状态而呈现高阻,这说明N-Al共掺杂对ZnO中N原子的活化起到一定作用。     

氮等离子体辅助脉冲激光沉积生长p型ZnO:N薄膜的光学和电学性质

通过氮气等离子体辅助脉冲激光沉积(PLD)技术制备了氮掺杂氧化锌(ZnO:N)薄膜.经过低温快速热退火(RTA)处理后,ZnO:N薄膜呈现p型导电特性.利用X射线光电子能谱(XPS)、光致发光(PL)和霍尔测量对ZnO:N薄膜中N的化学状态及其光学和电学性质进行了系列的研究.结果表明:所制得的p型ZnO:N薄膜为高度补...     

ZnO电子结构和p型传导特性的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)框架下的第一性原理平面波超软赝势方法(USPP)，对不同掺杂情况的ZnO晶体几何结构分别进行了优化计算，从理论上给出了ZnO的晶胞参数，得到了ZnO的总体态密度(TDOS)和氮原子2p态的分波态密度(PDOS).计算结果表明：原胞体积随着掺杂比例的提高而逐渐减小；将氮铝按照2∶1的原子比例共掺可以使氮的掺杂浓度比只掺杂氮时明显提高，且随着铝在锌靶中掺入比例的增加，载流子迁移率提高，浓度增大，使得p型ZnO电导率提高，传导特性增强. 关键词： 共掺 p型传导 态密度 第一性原理     

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.     

K-2N双受主共掺杂P型ZnO的第一性原理研究

本文采用基于第一性原理的密度泛函理论(DFT)平面波超软赝势方法,计算了未掺杂ZnO和K,K-2N掺杂ZnO体系的晶体结构、能带、电子态密度与光学性质.研究表明:K掺杂ZnO体系,带隙变宽,在费米能级附近引入了较浅的受主能级,费米能级进入到价带中.而K-2N共掺杂体系中,带隙变窄,形成了浅受主能级,这个对改善ZnO的p...     

Cr掺杂ZnO纳米线的电子结构和磁性

采用自旋极化密度泛函理论系统研究了Cr掺杂ZnO纳米线的电学、磁学以及光学属性.计算结果显示,Cr原子沿[0001]方向替代ZnO纳米线中的Zn原子时体系一般呈现铁磁耦合,沿[1010]和[0110]方向替代Zn原子时体系呈现反铁磁耦合,且磁性耦合状态在费米能级附近出现了明显的自旋劈裂现象,发生了强烈的Cr 3d和O 2p杂化效应.自旋态密度计算结果显示,磁矩主要来源于Cr原子未成对3d态电子的贡献,磁矩的大小与Cr原子的电子排布有关.光学性质计算结果显示,Cr掺杂ZnO纳米线在远紫外和近紫外都具有明显的吸收峰,吸收峰发生了明显的红移.这些结果都表明Cr掺杂ZnO纳米线也许是一种很有前途的稀磁半导体材料. 关键词： ZnO 纳米线 第一性原理 磁性     

K-2N双受主共掺杂P型ZnO的第一性原理研究

本文采用基于第一性原理的密度泛函理论（DFT）平面波超软赝势方法,计算了未掺杂ZnO和K,K-2N掺杂ZnO体系的晶体结构、能带、电子态密度与光学性质。研究表明：K掺杂ZnO体系,带隙变宽,在费米能级附近引入了较浅的受主能级,费米能级进入到价带中。而K-2N共掺杂体系中,带隙变窄,形成了浅受主能级,这个对改善ZnO的p型掺杂有重要意义。另一方面,掺杂后ZnO的光学性质也发生了一定变化,ZnO吸收谱中出现了新的吸收峰,同时介电函数虚部都出现了新的波峰,静态介电常数 也都增大了。     

Al-2N高共掺浓度对ZnO半导体导电性能影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论（DFT）框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,在同等环境条件下,建立了不同大小的ZnO模型,在ZnO中对不同浓度的氮和铝原子进行了高掺杂,并对低温条件下高掺杂氮和铝原子的ZnO半导体进行了态密度计算,然后分别对进入价带的相对空穴数和空穴散射迁移率进行了计算,最后对电导率进行了类比,发现适量低浓度的高掺杂氮和铝原子会使ZnO半导体的导电性能增强.即在低温高掺杂氮和铝原子的条件下,ZnO半导体的电导率不仅与掺杂氮和铝原子浓度有关,而且和进入价带的相对空穴数有关.和空穴散射的迁移率有关的结 关键词： ZnO半导体 浓度 电导率 第一性原理     

过渡金属与氮共掺杂ZnO电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,结合广义梯度近似(GGA)研究了过渡族金属(Mn,Fe,Co,Cu)与N共掺杂ZnO的能带结构、电子态密度分布、差分电荷密度和光学性质.计算表明Mn，Fe，Co与N共掺ZnO的光学性质与Mn，Fe，Co单掺杂相近，但是过渡族金属与N共掺杂有利于获得p型ZnO. 关键词： ZnO 第一性原理 电子结构 光学性质     

MOCVD生长中载气H2对N掺杂ZnO性质的影响

采用MOCVD方法在石英衬底上生长ZnO。实验使用二乙基锌(DEZn)为锌源,N2O作为氧和氮源,H2作为载气。采用PL和Raman光谱方法对ZnO样品进行表征,结果表明H2的加入大幅度减少薄膜中碳的掺入,明显改善了薄膜的光学质量。采用N2O离化技术,可以进一步提高其带边峰的强度,抑制带内发光。XRD测量表明,生长的ZnO薄膜具有c轴择优取向。目前生长高质量N掺杂的p型ZnO薄膜是很困难的,而H2作为载气的加入明显改善了ZnO薄膜的光学性质,在生长过程中加入H2将为获得高质量N掺杂的p型ZnO薄膜提供一种途径。     

In-N共掺杂ZnO第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法计算了纤锌矿ZnO,N掺杂和In-N共掺杂ZnO晶体的电子结构,分析了N掺杂和In-N共掺杂ZnO晶体的能带结构、电子态密度、差分电荷分布以及H原子对In-N共掺杂ZnO的影响.计算结果表明：N掺杂ZnO在能隙中引入了深受主能级,载流子(空穴)局域于价带顶附近.而加入激活施主In的In-N共掺杂ZnO,受主能级向低能方向移动,形成了浅受主能级.同时,受主能级带变宽、非局域化特征明显、提高了掺杂浓度和系统的稳定性.文章的结论与实验结果相符,从而为实 关键词： 密度泛函理论(DFT) 第一性原理 N掺杂ZnO In-N共掺杂ZnO     

F,Na共掺杂p型ZnO的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论(DFT),用第一性原理的方法,计算了ZnO在掺杂F和Na情况下的电子态密度、有效质量和形成能,研究分析了掺杂对ZnO的影响,结果表明:单掺F或Na并不能得到p型ZnO;而将F和Na共掺,能够使ZnO表现出p型导电的倾向.尤其当F和Na按1:2的原子比例共掺时,能够获得p型ZnO,这可以为实验上制备p型ZnO提供参考依据.     

碳掺杂ZnO的电子结构和光学性质

采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算研究碳掺杂ZnO的电子结构和光学性质.计算结果表明：C原子替代O原子和C原子替代Zn原子两种掺杂体系的电子结构存在明显差异,这主要是由于C原子的电子分布及对周围原子的影响不同;碳掺杂ZnO光学性质的变化集中在低能量区,而高能量区的光学性质没有明显变化.结合电子结构定性解释了光学性质的变化. 关键词： ZnO 碳掺杂 电子结构 光学性质     

利用第一性原理研究Ni掺杂ZnO铁磁性起源

采用基于密度泛函理论和局域密度近似的第一性原理分析了Ni掺杂ZnO磁性质.文中计算了8个不同几何结构的铁磁(FM)和反铁磁耦合能量,结果表明FM耦合更稳定.态密度结果显示Ni 3d 与O 2p发生杂化,导致费米能级附近电子态自旋极化.文中也分析了O空位对Ni掺杂ZnO铁磁性质的影响,O空位通过诱导电子调节FM耦合,从而稳定Ni掺杂ZnO铁磁性质,其强度足以引发室温铁磁性.通过Ni 3d能级耦合具体分析了Ni 掺杂ZnO铁磁性起源.另外,也分析了晶格应变对Ni掺杂ZnO FM耦合的影响. 关键词： 第一性原理 半导体 铁磁性 缺陷     

p型Na掺杂各向异性ZnO的电子性质与热电输运性质

采用密度泛函理论的第一性原理计算研究了p型Na掺杂各向异性ZnO的能带结构、光学性质、介电性质、总态密度和不同原子的分态密度,并系统分析了其热电输运性质。计算分析结果表明,p型Na掺杂ZnO为p型直接带隙半导体,其带隙增大到1.3eV,其对于光子的吸收限向低能量光子移动,体系费米能级附近的态密度大幅度提高,这主要是p态电子贡献的;在费米能级附近的导带和价带中都出现了新的能级,这些新的能级主要由Nas、Nap、Znp、Znd和Op电子形成,且他们之间存在着强耦合相互作用。Na掺杂ZnO的电输运性质具有各向异性;其价带和导带中的载流子有效质量均较大;载流子输运主要由Nas、Nap、Znp和Op电子完成。