ZnO材料中的缺陷和摻雜的理論研究.pdf

1、ZnO為直接帶隙的寬禁帶半導(dǎo)體，室溫下禁帶寬度為3.37 eV；特別的，其激子束縛能高達(dá)60 meV。因此，ZnO在室溫或更高溫度下的紫外發(fā)光器件的應(yīng)用中有極大的前景。但是，這首先要求有高質(zhì)量的n型和p型ZnO。然而，盡管實(shí)驗(yàn)上很容易獲得高質(zhì)量的n型ZnO，但p型ZnO卻很難被制備出來(lái)。近年來(lái)，人們從理論和實(shí)驗(yàn)上對(duì)如何在ZnO中進(jìn)行有效的p型摻雜進(jìn)行了大量的探索，取得了豐碩的成果，同時(shí)也提出了很多問(wèn)題。本論文就ZnO中的本征缺陷性質(zhì)、受

2、主雜質(zhì)與H的復(fù)合體的性質(zhì)以及p型ZnO的導(dǎo)電性質(zhì)進(jìn)行了深入研究。本論文共分為五章。 在第一章，我們總結(jié)了近年來(lái)關(guān)于ZnO的本征缺陷、ZnO中H元素的性質(zhì)和ZnO中p型摻雜的研究。 在第二章，我們介紹了理論計(jì)算中廣泛使用的密度泛函理論，并且介紹了計(jì)算原子最佳遷移路徑及其遷移勢(shì)壘的方法。 第三章討論了ZnO中本征缺陷的電子結(jié)構(gòu)、Ⅰ族雜質(zhì)缺陷的電子結(jié)構(gòu)以及幾種重要的本征缺陷的光吸收和振動(dòng)性質(zhì)。通過(guò)B3LYP方法對(duì)缺陷能

3、級(jí)的準(zhǔn)確計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)空位缺陷(Vo和Vzn)和八面體填隙缺陷(Oi，o和Zni，o)都可能是實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的綠光峰的來(lái)源。因此以前的研究?jī)H僅把綠光峰歸因于某一種缺陷是不對(duì)的。另外，Oi，o和Zni，o可能分別對(duì)黃光和紅光有貢獻(xiàn)。對(duì)Ⅰ族雜質(zhì)缺陷的B3LYP計(jì)算表明，實(shí)驗(yàn)上在摻Li和Na的ZnO中觀測(cè)到的發(fā)光峰可能來(lái)自相關(guān)的復(fù)合缺陷。在ZnO中摻Ag會(huì)導(dǎo)致很多缺陷能級(jí)，其中一部分可能對(duì)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的3.17 eV的發(fā)光峰有貢獻(xiàn)。我們研究了幾種最

4、重要的本征缺陷(Vo、Ho和Vzn)的光吸收和振動(dòng)性質(zhì)，找到了每種缺陷的特征光吸收峰和振動(dòng)模式，這些發(fā)現(xiàn)可用于指認(rèn)這些缺陷。 在第四章中，我們研究了ZnO中的幾種重要的雜質(zhì)(N、Li和Cu)與H的復(fù)合體的性質(zhì)。我們首先研究了No—H、Lizn—H和Cuzn—H復(fù)合體的形成和離解。通過(guò)計(jì)算H原子從不同方向到達(dá)基態(tài)構(gòu)型的最低能量路徑，得到了H原子在遷移過(guò)程中所需克服的能量勢(shì)壘。我們發(fā)現(xiàn)，這三種復(fù)合體都可以在200 K以下的低溫形成，

5、并在室溫下穩(wěn)定存在。No—H、Lizn—H和Cuzn—H復(fù)合體的離解所需要的激活能分別為1.25—1.48、1.10-1.35和1.42—1.63 eV，對(duì)應(yīng)的激活溫度約分別為480-570、420-520和540-620 K。另外，我們對(duì)這些復(fù)合體的電子結(jié)構(gòu)、缺陷能級(jí)、振動(dòng)性質(zhì)以及光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究，深入討論了H原子在這些復(fù)合體中所起的作用。 在第五章中，我們對(duì)p型摻雜ZnO導(dǎo)電性質(zhì)的不穩(wěn)定性和低效率的問(wèn)題進(jìn)行了研究。通過(guò)分析

6、摻N的ZnO中的幾種主要缺陷，我們提出了一種全新的微觀模型，很好地解釋了光照誘導(dǎo)的N摻雜ZnO導(dǎo)電性質(zhì)轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。我們發(fā)現(xiàn)，Ho(即被Vo捕獲的H原子)在這種現(xiàn)象中扮演了重要的角色。由此，我們推測(cè)如果能控制Vo的濃度，使其很低，則會(huì)避免Ho大量存在，從而能增強(qiáng)摻N的ZnO的p型導(dǎo)電性的穩(wěn)定性。另一方面我們基于對(duì)在N摻雜的p型ZnO中觀測(cè)到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析，提出了受主缺陷不完全離化的觀點(diǎn)，成功地解釋了相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。通過(guò)分析電子結(jié)構(gòu)和自旋密