AlN和TiO-,2-摻雜體系的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的理論研究.pdf

1、AlN是一種很有發(fā)展前途的新型光電子材料，在AlN中摻雜Si元素，可以得到較理想的n型AlN薄膜材料，提高系統(tǒng)的電導(dǎo)率，改善其導(dǎo)電性能和光學(xué)性質(zhì)。本征AlN是n型半導(dǎo)體，存在較多本征施主缺陷(如氮空位VN)，很難經(jīng)過摻雜實(shí)現(xiàn)p型轉(zhuǎn)變，因而無法制得氮化鋁p-n結(jié)結(jié)構(gòu)，這在一定程度上限制了氮化鋁基光電器件的開發(fā)應(yīng)用，因此AlN的p型摻雜就成了熱點(diǎn)問題。 銳鈦礦相半導(dǎo)體TiO2在光催化方面有廣泛應(yīng)用，其帶隙為3.2eV，光催化所需最大

2、波長(zhǎng)為387nm，位于紫外光區(qū)，太陽光的利用率很低。因此，為提高太陽光的催化效率，就需要把TiO2的光學(xué)吸收邊從紫外區(qū)移至可見光區(qū)，摻雜是實(shí)現(xiàn)這一目的的有效方法。 本文利用第一性原理方法研究了Si和C摻雜AlN系統(tǒng)、氧空位與Sc摻雜銳鈦礦TiO2系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，并與可能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。我們的計(jì)算工具是基于密度泛函理論的CASTEP軟件。 (1)研究了純AlN和Si摻雜AlN系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。結(jié)果表

3、明，純AlN是直接帶隙半導(dǎo)體，帶隙為6.2eV，其價(jià)帶主要來源于N2p態(tài)的貢獻(xiàn)，少部分來源于Al3s、3p態(tài)的貢獻(xiàn)；導(dǎo)帶主要來源于Al3p態(tài)的貢獻(xiàn)。Si摻雜后，雜質(zhì)能級(jí)位于導(dǎo)帶底附近，與Al3p能級(jí)形成復(fù)合導(dǎo)帶底，費(fèi)米能級(jí)插在導(dǎo)帶中間，使系統(tǒng)發(fā)生莫特相變，由半導(dǎo)體變?yōu)榻饘?。純AlN的介電函數(shù)虛部在8.83eV、11.46eV和13.24eV附近有吸收峰，光吸收主要分布在6～15eV的能量范圍內(nèi)，在9eV附近的吸收最強(qiáng)，峰值達(dá)到3.01×

4、105cm-1；折射率n0約為1.5，其峰值主要分布在6.7～8.7eV的能量范圍內(nèi)，當(dāng)能量大于7.76eV時(shí)，折射率隨能量的增加逐漸減小；消光系數(shù)和光電導(dǎo)率實(shí)部的峰值位置與吸收系數(shù)的峰值位置對(duì)應(yīng)，能量損耗的主峰在14.1eV附近。Si摻雜后，在6～15eV能區(qū)內(nèi)對(duì)系統(tǒng)的光學(xué)性質(zhì)影響很小，而在1.5～3.5eV的低能(可見光)區(qū)有新的吸收峰出現(xiàn)，量級(jí)達(dá)105cm-1，能量損耗降低。 (2)對(duì)于AlN系統(tǒng)，研究了C替代Al位(CA

5、1)、N位(CN)以及CAl與CN共摻(CAl-CN)三種情況的雜質(zhì)形成能和電子結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，摻雜后系統(tǒng)的禁帶寬度都變?。籆Al的雜質(zhì)形成能最小，最容易形成；CAl是n型摻雜，施主能級(jí)位于導(dǎo)帶底下約1.27eV處。CN的雜質(zhì)形成能最大，最難形成；但CN可使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)p型轉(zhuǎn)變，受主能級(jí)位于價(jià)帶頂約0.21eV處。CAl和CN共存時(shí)，CAl對(duì)CN有補(bǔ)償作用，這對(duì)系統(tǒng)的p型轉(zhuǎn)變不利。 (3)對(duì)于銳鈦礦TiO2系統(tǒng)，研究了Sc摻雜、含氧