Ⅵ族元素掺杂ZnO能带性质的第一性原理研究

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Ⅱ-Ⅵ族氧化物由于具有宽禁带、直接带隙以及较大激子自由能等特性,在发光二极管、太阳能电池以及激光器件等诸多领域具有潜在的应用价值。纤锌矿Zn O是一种新型的Ⅱ-Ⅵ族氧化物半导体材料,其禁带宽度为3.37 e V,具有高达60 me V的激子束缚能,低介电常数,良好的光电性能和压电特性,环保价廉,因此Zn O可用于制造光电子器件,并在发光器件、高功率电子器件以及光伏元件方面具有潜在的研究价值。掺杂是改善半导体光电性质,增强光电子器件性能的重要手段,因此有必要了解掺杂对半导体性质的影响,本研究以Ⅵ族元素掺杂Zn O为研究对象,采用密度泛函理论(DFT)第一性原理软件包Material Studio软件中的CASTEP模块,基于局域密度近似(LDA)交换关联泛函对本征Zn O及其掺杂体系进行晶格优化和原子位置弛豫,得到了本征Zn O及其掺杂体系的晶格常数,在此基础上采用LDA+U方法计算得到了其能带结构。研究结果如下:1.研究了富O组分的Zn O1-xSex(0≤x≤0.3125)合金,研究结果显示:(1)Se原子取代O原子位置后,三元合金Zn O1-xSex的晶格常数随Se浓度的增加而增大,这与Se的原子半径大于O的原子半径有关。(2)Se原子取代O原子位置后,尽管其带隙值会减小,但是其带隙仍为直接带隙。(3)当Se组分不大时,Se-4s态和Zn-4s态间的s-s耦合作用很弱,由导带底下移引起的带隙下降很小。(4)在Zn O中加入少量Se原子能够在Zn O价带顶上方引入局域化的Se杂质能级。该Se杂质能级的初始位置比Zn O价带顶高约0.76 e V。由于Se杂质能级具有很强的局域化特性,导致Zn O1-xSex合金的价带顶被钉扎在初始Se杂质能级附近。当Se含量足够大时,Se杂质能级的局域化效应变弱。在这种情况下,带隙下降可归因于导带底位置下移和价带顶位置的上移。2.研究了富O组分区域的Zn O1-xSx(0≤x≤0.25)合金,研究结果显示:(1)S原子取代O原子位置后,由于S2-的半径大于O2-的半径,其三元合金Zn O1-xSx的晶格常数随着S含量的增加而线性增大。(2)当S原子取代O原子位置后,尽管其三元合金Zn O1-xSx的带隙值会减小,但仍为直接带隙。(3)在Zn O中加入少量S原子后,会在Zn O价带顶上方引入局域化S杂质能级,该初始S杂质能级比Zn O价带顶高0.398 e V。S能级的强局域化特性导致Zn O1-xSx合金的价带顶被钉扎在初始S杂质能级附近,随着掺杂浓度的增加,S杂质能级的局域化效应逐渐减弱。
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