貴金屬(Cu、Ag、Au)摻雜ZnO晶體電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)的第一性原理研究.pdf

1、ZnO晶體屬于II-VI族寬帶隙半導(dǎo)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(yīng)用潛力，因此而成為當(dāng)今半導(dǎo)體材料研究領(lǐng)域最受關(guān)注的熱點(diǎn)之一。
　　本征 ZnO由于內(nèi)部的大量施主缺陷而呈 n型導(dǎo)電性，采用 Al、Ga等 III族元素?fù)诫s，已經(jīng)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(bǔ)償、較深的受主能級(jí)等緣故，很難制備出優(yōu)良的p型

2、ZnO。優(yōu)質(zhì)的p型 ZnO薄膜制備是實(shí)現(xiàn) ZnO基光電器件的關(guān)鍵。如何實(shí)現(xiàn) ZnO的高濃度 p型摻雜，從而制作出 p-n結(jié)是目前所面臨的一個(gè)重大難題。
　　但是，關(guān)于貴金屬摻雜對(duì) ZnO結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能影響的系統(tǒng)的理論計(jì)算和分析少有報(bào)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(yù)測(cè) p型摻雜的可能性，從而為實(shí)驗(yàn)研究提供指導(dǎo)，是一項(xiàng)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(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度、形成能、布居分析和光學(xué)性質(zhì)等。主要結(jié)果如下：
　?。?）計(jì)算了纖鋅礦 ZnO能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、布居分析和光學(xué)性質(zhì)。從理論上驗(yàn)證了 ZnO屬于直接帶隙半導(dǎo)體；采用“剪刀”算符工具對(duì)帶隙修正后計(jì)算的光學(xué)特性有的與實(shí)驗(yàn)符合，有的與他人的理論結(jié)果相符合，這說明我們的計(jì)算方法是正確的，可行的。
　?。?）對(duì)纖鋅礦結(jié)構(gòu) CuxZn1-xO和AgxZn1-xO以及

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

5、探測(cè)器和紫外光發(fā)射二極管等短波光電器件方面的應(yīng)用。能量損失譜計(jì)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(lán)移。
　　（3）分別對(duì) CuxZn1-xO、AgxZn1-xO、AuxZn1-xO（X=0.0556、0.0625、0.125）在帶隙、晶格常數(shù)和光學(xué)性質(zhì)隨摻雜濃度變化進(jìn)行了對(duì)比分析。與純 ZnO相比，貴金屬摻雜對(duì) ZnO在低能區(qū)的光學(xué)性質(zhì)有所影響，對(duì)高能區(qū)光學(xué)性質(zhì)基本沒有影響。貴金屬摻雜后隨摻雜