透明導電氧化物半導體材料的量子化學計算與設(shè)計.pdf

1、透明導電氧化物(TCOs)材料由于具有優(yōu)異的電學和光學性能，被廣泛地應(yīng)用于發(fā)光二極管(LED)，太陽能電池，平板顯示器(FDPs)和智能視窗。目前，商業(yè)化應(yīng)用最為廣泛的氧化銦錫(In2O3∶Sn，ITO)材料由于銦資源的稀缺且價格昂貴，迫使研究者們尋找和開發(fā)性能優(yōu)異的新型廉價TCO材料。二氧化錫(SnO2)作為一種出色的候選替代材料，與In2O3相比不僅成本低廉，同時具備優(yōu)異的電學及光學性能。最近，基于SnO2的TCO材料在實驗及理論研

2、究中受到了廣泛的關(guān)注，如氧化錫銻(SnO2∶Sb，ATO)和氧化錫氟(SnO2∶F，F(xiàn)TO)已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)并實現(xiàn)了大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用，但是其導電性能與ITO相比仍存在差距。因此，仍然需要探索新的基于SnO2的TCO材料，來滿足未來的應(yīng)用。
　　 基于密度泛函理論理的第一性原理計算等研究方法的發(fā)展為預(yù)測周期性材料的結(jié)構(gòu)和性能提供了一個極有價值的研究手段，而且已經(jīng)被作為一種重要的分析及預(yù)測工具來指導設(shè)計開發(fā)新的材料。
　　 本文

3、采用第一性原理方法對基于SnO2體系的材料進行計算和設(shè)計，重點研究不同材料體系的導電性能，并對新TCO材料的光學性能做出預(yù)測，為今后的實驗提供理論指導。主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新性的設(shè)計策略如下。
　　 (1)采用第一性原理計算方法（GGA-PBE和HSE06），研究了本征態(tài)SnO2晶胞結(jié)構(gòu)、能帶、態(tài)密度、有效質(zhì)量等電子結(jié)構(gòu)，并驗證了計算方法的正確性。
　　 (2)在單摻雜中，選擇ⅤA，ⅤB，ⅥB和ⅦA族元素作為摻雜元素，以保證

4、材料為n型導電材料并具有較高的載流子遷移率。通過GGA-PBE計算了單元素摻雜SnO2進行大范圍的篩選。設(shè)計原則應(yīng)包括三個重要的特性:(a)高導電性;(b)高透光性(禁帶寬度大于3.1 eV);(c)穩(wěn)定性好且易于實驗制備。此外，低成本和無毒性也是必要的。對于計算結(jié)果的篩選，材料導電能力可以通過有效質(zhì)量來間接反映，光學性能可由計算得到的電子結(jié)構(gòu)來描述，而材料的穩(wěn)定性及實驗制備難易程度可通過結(jié)合能和形成能來表示。經(jīng)GGA-PBE計算篩選出

5、的具有高導電性的不僅包括了已知的FTO和ATO，而且預(yù)測了Sn02∶P(PTO)，SnO2∶I(IOTO)兩種新材料。
　　 (3)基于SnO2單摻雜的結(jié)果，以PTO作為研究體系，摻入雜質(zhì)元素（ⅤB，ⅥB和ⅦA族元素），替代其中的Sn原子或者O原子，即進行雙元素共摻雜SnO2的GGA-PBE計算。再結(jié)合單摻雜與雙摻雜的結(jié)果篩選，選出導電性能相對最出色的新TCO材料SnO2∶(P,F)(FPTO)。
　　 (4)最后通過H