貴金屬(Cu、Ag、Au)摻雜ZnO晶體電子結構及光學性質的第一性原理研究.pdf

1、ZnO晶體屬于II-VI族寬帶隙半導體，不但禁帶寬度大（3.37eV），而且具有很高的激子束縛能為60meV，在短波光電器件上具有很大的應用潛力，因此而成為當今半導體材料研究領域最受關注的熱點之一。
　　本征 ZnO由于內部的大量施主缺陷而呈 n型導電性，采用 Al、Ga等 III族元素摻雜，已經制備出了性能較好的n型 ZnO，但是由于受主元素在 ZnO中較低的固溶度，施主缺陷的自補償、較深的受主能級等緣故，很難制備出優(yōu)良的p型

2、ZnO。優(yōu)質的p型 ZnO薄膜制備是實現(xiàn) ZnO基光電器件的關鍵。如何實現(xiàn) ZnO的高濃度 p型摻雜，從而制作出 p-n結是目前所面臨的一個重大難題。
　　但是，關于貴金屬摻雜對 ZnO結構和光學性能影響的系統(tǒng)的理論計算和分析少有報道。貴金屬（Au、Ag和Cu）是p型 ZnO可供選擇的摻雜元素。因此，從理論上預測 p型摻雜的可能性，從而為實驗研究提供指導，是一項很有意義的工作。在本文中，我們采用基于密度泛函理論的第一性原理方法研究

3、了Zn1-xMxO(M=Cu、Ag、Au)的晶體結構、能帶結構、電子態(tài)密度、形成能、布居分析和光學性質等。主要結果如下：
　?。?）計算了纖鋅礦 ZnO能帶結構、態(tài)密度、布居分析和光學性質。從理論上驗證了 ZnO屬于直接帶隙半導體；采用“剪刀”算符工具對帶隙修正后計算的光學特性有的與實驗符合，有的與他人的理論結果相符合，這說明我們的計算方法是正確的，可行的。
　?。?）對纖鋅礦結構 CuxZn1-xO和AgxZn1-xO以及

4、 AuxZn1-xO(x=0.0625)的晶體結構、能帶結構、形成能、布居分析和光學性質進行了第一性原理計算。貴金屬摻雜后帶隙減小且體系費米能級附近電子態(tài)密度主要來源于Cu3d、Ag4d和Au5d態(tài)電子的貢獻，是明顯的p型雜質形式；形成能計算表明 Ag、Au替代 Zn是吸熱反應，但 Cu替代 Zn是放熱反應；光學性質方面，在可見光區(qū)，介電函數虛部、反射系數和吸收系數明顯增大。同時，紫外吸收有所加強，Cu、Ag、Au摻雜 ZnO利于在紫外

5、探測器和紫外光發(fā)射二極管等短波光電器件方面的應用。能量損失譜計算表明，貴金屬（Cu、Ag、Au）摻雜后 ZnO的等離子體共振頻率峰發(fā)生藍移。
　　（3）分別對 CuxZn1-xO、AgxZn1-xO、AuxZn1-xO（X=0.0556、0.0625、0.125）在帶隙、晶格常數和光學性質隨摻雜濃度變化進行了對比分析。與純 ZnO相比，貴金屬摻雜對 ZnO在低能區(qū)的光學性質有所影響，對高能區(qū)光學性質基本沒有影響。貴金屬摻雜后隨摻雜