非故意C摻雜ZnO及其極性表面的理論研究.pdf

1、Ⅱ-Ⅵ族半導體ZnO是繼GaN之后又一種新型的直接帶隙寬禁帶氧化物半導體材料，在常溫常壓下其能隙Eg=3.37 eV，而且相比于其他寬帶隙半導體，ZnO有較大的激子束縛能，室溫下其束縛能為60 meV，因此它是一種在紫外和藍光發(fā)射方面很有發(fā)展前景的新型光電子材料.然而本征的ZnO是n型，p型摻雜穩(wěn)定性不夠好，空穴濃度不夠高，這些因素使其仍然達不到實用化，這大大阻礙了ZnO光電材料的實際應(yīng)用。為了深入研究p型ZnO難于獲得的原因，本文通過

2、密度泛函理論平面波超軟贗勢方法，從理論上系統(tǒng)地研究了非故意C原子摻雜ZnO晶體及其極性表面的特性。主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下：
　　 一、計算了非故意C雜質(zhì)在ZnO中可能存在的三種結(jié)構(gòu)：C替代O位，C替代Zn位和C占據(jù)間隙位，我們對比分析了三種C摻雜ZnO的幾何結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)形成能和電子結(jié)構(gòu)等的不同.研究表明：C雜質(zhì)的存在導致ZnO晶格畸變，完整性變差，體積膨脹：在ZnO晶體中，C雜質(zhì)最可能占據(jù)間隙位，而且在能帶中對應(yīng)引入施主能級，從而

3、對p型ZnO摻雜電離形成的空穴進行補償.因此我們認為C雜質(zhì)的存在是p型ZnO難于制得的一個重要原因.
　　 二、計算了ZnO極性表面的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)特性，對比分析了ZnO（0001）和ZnO（0001）表面結(jié)構(gòu)弛豫，能帶結(jié)構(gòu)，電子態(tài)密度，N吸附ZnO極性表面的形成能情況.計算結(jié)果表明相對于ZnO（0001）表面，ZnO（0001）表面受結(jié)構(gòu)弛豫影響更加明顯，而ZnO（0001）表面完整性更好.相對于體相ZnO結(jié)構(gòu)，ZnO（0

4、001）表面的能帶帶隙變窄，同時價帶頂附近能級非局域性增強使晶體表面的導電性能變得更好；而ZnO（0001）表面的能帶帶隙變寬，由于O-2p態(tài)的存在，使價帶頂附近出現(xiàn)了空能級，在熱激發(fā)作用下，體內(nèi)電子易向這些能級躍遷從而在表面形成電子聚集使表面帶負電.
　　 三、我們還研究了N原子吸附和嵌入ZnO（0001）表面的情況，發(fā)現(xiàn)N原子吸附面心位置的情況最穩(wěn)定，而嵌入位在表面第一層處的形成能最低，因此N原子易集中于表面層中，而不是占據(jù)