Er摻雜ZnO穩(wěn)定性和光電性質(zhì)的第一性原理研究.pdf

1、ZnO是當(dāng)今短波光電材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，深入研究摻雜對光電子材料的穩(wěn)定性和對光電性質(zhì)的影響是十分必要的。本文利用第一性原理對ZnO∶ErZn和ZnO∶(ErZn，NO)摻雜體系的穩(wěn)定性和光電性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。主要研究內(nèi)容如下:
　　首先，對ErxZn1-xO(x=0，0.0625，0.1250，0.1875，0.2500)進(jìn)行了計算。計算結(jié)果表明:替鋅位(ErZn)是摻雜Er的首選占據(jù)位置;晶格畸變和形成焓都隨Er摻雜濃度的增大

2、而增大，化合物越來越不穩(wěn)定;摻雜Er使ZnO的禁帶寬度變小，當(dāng)摻雜濃度達(dá)到9.375 at.％和12.500 at.％時，禁帶寬度出現(xiàn)起伏現(xiàn)象;在低濃度(3.125 at.％、6.250 at.％)摻雜Er時，張應(yīng)變效應(yīng)對帶隙的減小作用大于摻雜Er對帶隙的展寬效應(yīng)而起主導(dǎo)作用，高濃度(9.375 at.％、12.500 at.％)摻雜Er時則相反，摻雜Er的帶隙展寬效應(yīng)起主導(dǎo)作用，使帶隙不再進(jìn)一步減小;隨著Er濃度增加到9.375 at

3、.％和12.500at.％時，在紅外光波段產(chǎn)生電子態(tài)躍遷而出現(xiàn)較強(qiáng)的光吸收;摻雜Er后，紅外光和紫外光的穿透率降低，隨Er濃度的增大，可見光的反射率減小，吸收率增大。
　　其次，對純ZnO、稀土元素Er單摻雜ZnO以及Er與本征缺陷復(fù)合摻雜ZnO體系進(jìn)行了計算研究。計算結(jié)果表明:只有Er單摻雜及Er與受主型本征缺陷復(fù)合摻雜ZnO體系在(Zn-poor，Er-rich)環(huán)境條件下的形成能為負(fù)值，伴隨Er摻雜ZnO引入的本征缺陷是受主

4、型，而純ZnO中通常存在的是施主型本征缺陷;摻入Er元素后在能帶中引入了由Er-4f電子態(tài)形成的雜質(zhì)能級，Er原子與受主型本征缺陷具有比較強(qiáng)的相互作用;光學(xué)性質(zhì)上，當(dāng)受主型本征缺陷引入到Er摻雜ZnO體系時，光吸收譜上出現(xiàn)了更多的吸收峰和兩種不同的吸收邊，Er原子與受主型本征缺陷相互作用是產(chǎn)生可見光區(qū)和紅外區(qū)光吸收的重要原因之一。
　　最后，對ZnO∶(ErZn，NO)共摻雜體系進(jìn)行了計算研究。計算結(jié)果表明:N含量對ZnO∶(Er

5、Zn，NO)共摻雜體系晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響小于Er含量;nErZn-NO復(fù)合體缺陷的離化能總體高于ErZn-mNO復(fù)合體缺陷;ErZn-mNO型復(fù)合體缺陷是Er-N共摻雜ZnO過程中形成的缺陷復(fù)合體的主要形式;隨著ErZn-mNO復(fù)合摻雜體系中N濃度的增大，禁帶寬度增大，N-2p與Zn-3d態(tài)的雜化作用逐漸增強(qiáng)，Er-4f態(tài)的局域化程度增強(qiáng)，與Zn-3d態(tài)的雜化作用減弱，使價帶頂向高能方向移動;光吸收譜的吸收邊出現(xiàn)不同程度的紅移現(xiàn)象;Er