V、Nb摻雜ZnO物性的理論研究.pdf

1、ZnO基半導(dǎo)體材料作為最具代表的第三代半導(dǎo)體材料之一,因為其優(yōu)異的物理性能和環(huán)境因素而備受人們關(guān)注。尤其是近年來,由于人們對半導(dǎo)體器件的小型化和性能綜合化的需求的提高,對于以ZnO為母體的摻雜材料的綜合性能的研究工作越發(fā)顯得重要。V和Nb作為同一族的過渡金屬元素,摻雜入ZnO中是否能實現(xiàn)比較優(yōu)良的綜合性能。本文采用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法,并配合適當(dāng)?shù)男拚?研究了V、Nb摻雜ZnO材料的幾何結(jié)構(gòu),電子能帶結(jié)構(gòu),電學(xué)性質(zhì),表面

2、磁性和光學(xué)性質(zhì)。
　　通過對ZnO幾何結(jié)構(gòu)和電子能帶結(jié)構(gòu)的分析表明,雖然V和Nb的離子半徑都小于Zn離子半徑,但均會引起晶格膨脹。HSE計算相較于PBE計算能夠得到更精確的電子能帶結(jié)構(gòu)。V和Nb摻雜都是典型的n型摻雜,在導(dǎo)帶底形成雜質(zhì)帶。區(qū)別在于V摻雜在費米能級附近形成非常尖銳的雜質(zhì)峰,并隨著摻雜濃度的增加而減小。而Nb摻雜的電子態(tài)則非局域性更強(qiáng),雜質(zhì)峰強(qiáng)度隨著摻雜濃度增加而增加。
　　通過對有效質(zhì)量的研究發(fā)現(xiàn),二種摻雜都主

3、要影響到電子有效質(zhì)量,對體系的導(dǎo)電性有有效的改善作用。在二種體系中均存在一個合適的摻雜濃度使得導(dǎo)電性最好,在Nb摻雜中這個值通常小于V摻雜體系中的值。引入本征缺陷的結(jié)果表明O空位的存在會增強(qiáng)導(dǎo)電性而Zn空位起到正好相反的作用。
　　通過對表面結(jié)構(gòu)的摻雜模型的研究,發(fā)現(xiàn)表面效應(yīng)的確會增強(qiáng)磁性和提高居里溫度,但本身并不會引入凈磁矩。V摻雜可以得到更高的凈磁矩,但大多來源于摻雜原子本身,而Nb摻雜則會引起更多的O原子發(fā)生自旋極化。但在鐵

4、磁耦合的研究中發(fā)現(xiàn)V摻雜是鐵磁耦合基態(tài),而Nb摻雜則是反鐵磁耦合因而不能表現(xiàn)出宏觀鐵磁性。O空位缺陷可以增大凈磁矩,而Zn空位則會削弱自旋極化。
　　通過雜化泛函研究二種摻雜ZnO體系的光學(xué)性質(zhì),發(fā)現(xiàn)無論V還是Nb摻雜主要是增強(qiáng)了材料對可見光部分的吸收,這個吸收來源于雜質(zhì)態(tài)到導(dǎo)帶的帶內(nèi)躍遷。V摻雜表現(xiàn)出對摻雜濃度的敏感性,較低濃度的V摻雜可以實現(xiàn)對可見光最大的吸收,Nb摻雜對可見光的吸收則隨摻雜濃度增加而增加。二種摻雜對不同方向的