SnO-,2-基半導(dǎo)體材料的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)研究.pdf

1、SnO2是一種新型的透明導(dǎo)電氧化物，它以其較寬的帶隙和非常高的激子束縛能使得以SnO2為基的半導(dǎo)體材料更具發(fā)展?jié)摿Α?duì)SnO2摻雜形成的氧化物材料也具有高的電導(dǎo)率和很好的光學(xué)透過率，因而有很好的應(yīng)用性，所以SnO2基半導(dǎo)體材料被認(rèn)為是下一代非常具有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N光電材料。本論文將選擇SnO2作為基材料，采用全電勢(shì)線性綴加平面波的方法，基于密度泛函理論第一性原理，在廣義梯度近似交換勢(shì)(GGA)下應(yīng)用WIEN2K軟件進(jìn)行計(jì)算。
　　

2、 首先，計(jì)算本征態(tài)下SnO2材料的電子態(tài)密度，能帶結(jié)構(gòu)，較全面地分析其光學(xué)性質(zhì)，包括介電函數(shù)ε（ω）的實(shí)部和虛部、反射率R、折射率n(ω)、消光系數(shù)k(ω)和吸收系數(shù)I(ω)，得出總態(tài)密度各部分如何分別由Sn原子和O原子的相應(yīng)分態(tài)貢獻(xiàn)得到，反射率和吸收譜等光學(xué)性質(zhì)的峰值與介電函數(shù)虛部峰值對(duì)應(yīng)，與電子躍遷吸收有關(guān)，從理論上指出其光學(xué)性質(zhì)與電子結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在關(guān)系，并與有關(guān)參考文獻(xiàn)作比較，為以后SnO2材料的深入研究提供理論依據(jù)。
　　

3、 其次，構(gòu)建2×2×2的SnO2超晶胞結(jié)構(gòu)，進(jìn)行單原子替代摻雜，選擇Ⅲ族金屬元素作為摻雜離子，通過Al替代Sn，研究不同濃度Al摻雜SnO2材料Snl.xAlxO2(x=0,0.0625,0.125,0.1875,0.25)的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，包括介電函數(shù)、吸收譜、折射率等。計(jì)算結(jié)果顯示，摻雜Al之后，價(jià)帶部分的折疊態(tài)增加，價(jià)帶寬度發(fā)生收縮，形成導(dǎo)帶底的Sn5s態(tài)減少，使得帶隙增寬，且態(tài)密度整體向高能方向發(fā)生移動(dòng)。另外，隨著Al摻雜

4、量的增加帶隙越來越寬，介電函數(shù)虛部、吸收譜和其它光學(xué)函數(shù)譜都對(duì)應(yīng)發(fā)生藍(lán)移。由于同類研究較少，此研究與部分Al摻雜ZnO的研究結(jié)果進(jìn)行了比較，為實(shí)驗(yàn)研究Al摻雜SnO2材料提供理論支持。在對(duì)Al摻雜研究的基礎(chǔ)上，繼續(xù)研究了Ⅲ族元素Ga和In摻雜的情況，給出了各摻雜元素隨各自摻雜量增加時(shí)的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，并作了Al、Ga和In三元素?fù)诫s情況之間的對(duì)比，得到了可比較的結(jié)果。
　　 再次，做了N摻雜SnO2材料的計(jì)算，對(duì)N替代O原子和N

5、替代Sn原子兩種摻雜下的電子態(tài)密度、電荷密度分布以及各光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，N摻雜替代Sn較之N摻雜替代O原子的帶隙要寬，都寬于SnO2的本征帶隙，且兩種情況下N分別處于負(fù)氧化態(tài)和正氧化態(tài)，摻雜化合物在替代O和Sn時(shí)也分別表現(xiàn)出半金屬性和金屬性。其介電函數(shù)譜也與帶隙對(duì)應(yīng)，發(fā)生藍(lán)移，折射譜與介電函數(shù)實(shí)部譜圖像對(duì)應(yīng)，而光吸收邊對(duì)應(yīng)著計(jì)算的帶隙，表征價(jià)帶頂電子躍遷到導(dǎo)帶底的能力。
　　 最后，選擇In和N作為共摻雜離子，并改變N

6、的摻雜濃度計(jì)算共摻雜下SnO2晶體的電子結(jié)構(gòu)、介電函數(shù)等光學(xué)性質(zhì)，同時(shí)與第三章中In摻雜和第四章中的N摻雜情況進(jìn)行了比較。共摻結(jié)構(gòu)在-11～-12eV能量范圍內(nèi)，出現(xiàn)了一部分細(xì)的強(qiáng)局域帶，且在帶隙內(nèi)，自旋向下的方向上也產(chǎn)生了局域能級(jí)，表明此時(shí)形成的共摻化合物也具有半金屬的性質(zhì)。通過摻入激活施主元素In，能有效提高受主摻雜元素N的摻雜濃度，并提高摻雜系統(tǒng)的穩(wěn)定性。介電虛部譜中，主要在8.58eV附近存在一個(gè)峰值大小為7.64的主介電峰，比