ZnO電子結構與屬性的第一性原理研究.pdf

1、ZnO基半導體在藍光和紫外光發(fā)射、高密度存儲、氣敏傳感器、表面聲波器件、太陽能電池、顯示器件、壓電器件、高溫微電子器件、光電子器件等方面顯示出廣闊的應用前景，使其成為繼GaN之后光電研究領域又一熱門的研究課題。目前，盡管對ZnO電子結構、光學性質、表面和界面等方面進行了大量的理論和實驗研究，但確切的電學性能、光學性能等仍存在著分歧。本文采用基于密度泛函理論框架下的第一性原理平面波贗勢方法，對ZnO電子結構、摻雜改性、光學性質、體彈性模量

2、以及應力下ZnO電子結構等性質進行了研究，所用軟件為MaterialsStudio3.2中的CASTEP軟件。主要研究內容及其結果如下： 一、計算了纖鋅礦ZnO晶格常數、能帶結構、鍵結構、差分電荷密度、態(tài)密度和體彈性模量。ZnO理論預測是一種直接禁帶半導體材料，導帶底和價帶頂都位于布里淵區(qū)中心Γ點處，直接帶隙3.37eV。 二、利用材料模擬軟件CASTEP精確計算了介質躍遷矩陣元，給出了ZnO的能量損失譜、介電函數、反射

3、系數、消光系數以及其它相關光學參數。利用半導體帶間躍遷理論和ZnO電子結構信息，對介電譜圖和反射譜圖的峰值進行了指認和判別，為試驗圖譜解析和精確監(jiān)測和控制ZnO材料的生長提供了理論依據。 三、計算了外壓調制下ZnO體系電子結構和光學性質，分析了外壓對ZnO電子結構與光學性質的影響，對ZnO帶隙隨壓力增大而展寬的現象進行分析。結果表明：隨著壓力的逐漸增大，ZnO鍵長縮短，價帶與導帶分別向低能和高能方向漂移，帶內各峰發(fā)生小的劈裂，帶

4、隙Eg明顯展寬，Zn3d電子與O2p電子雜化增強。 四、探討了ZnO的n型摻雜、p型摻雜以及p型共摻雜機制。模擬了Ⅲ族摻雜的n型ZnO材料的性質。結果表明摻雜后在導帶底出現大量由摻雜原子貢獻的自由載流子—電子，明顯提高了電導率，改善了ZnO的導電性能。對于p型摻雜，摻雜V族元素的氧化鋅材料在能隙中引入了深受主能級，載流子(空穴)局域于價帶頂附近。而利用加入激活施主的共摻雜技術的計算的結果卻表明受主能級向低能方向移動，形成了淺受主