SnO-,2-基半導體材料的電子結構和光學性質研究.pdf

1、SnO2是一種新型的透明導電氧化物，它以其較寬的帶隙和非常高的激子束縛能使得以SnO2為基的半導體材料更具發(fā)展?jié)摿ΑnO2摻雜形成的氧化物材料也具有高的電導率和很好的光學透過率，因而有很好的應用性，所以SnO2基半導體材料被認為是下一代非常具有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N光電材料。本論文將選擇SnO2作為基材料，采用全電勢線性綴加平面波的方法，基于密度泛函理論第一性原理，在廣義梯度近似交換勢(GGA)下應用WIEN2K軟件進行計算。
　　

2、 首先，計算本征態(tài)下SnO2材料的電子態(tài)密度，能帶結構，較全面地分析其光學性質，包括介電函數ε（ω）的實部和虛部、反射率R、折射率n(ω)、消光系數k(ω)和吸收系數I(ω)，得出總態(tài)密度各部分如何分別由Sn原子和O原子的相應分態(tài)貢獻得到，反射率和吸收譜等光學性質的峰值與介電函數虛部峰值對應，與電子躍遷吸收有關，從理論上指出其光學性質與電子結構之間的內在關系，并與有關參考文獻作比較，為以后SnO2材料的深入研究提供理論依據。
　　

3、 其次，構建2×2×2的SnO2超晶胞結構，進行單原子替代摻雜，選擇Ⅲ族金屬元素作為摻雜離子，通過Al替代Sn，研究不同濃度Al摻雜SnO2材料Snl.xAlxO2(x=0,0.0625,0.125,0.1875,0.25)的電子結構和光學性質，包括介電函數、吸收譜、折射率等。計算結果顯示，摻雜Al之后，價帶部分的折疊態(tài)增加，價帶寬度發(fā)生收縮，形成導帶底的Sn5s態(tài)減少，使得帶隙增寬，且態(tài)密度整體向高能方向發(fā)生移動。另外，隨著Al摻雜

4、量的增加帶隙越來越寬，介電函數虛部、吸收譜和其它光學函數譜都對應發(fā)生藍移。由于同類研究較少，此研究與部分Al摻雜ZnO的研究結果進行了比較，為實驗研究Al摻雜SnO2材料提供理論支持。在對Al摻雜研究的基礎上，繼續(xù)研究了Ⅲ族元素Ga和In摻雜的情況，給出了各摻雜元素隨各自摻雜量增加時的電學和光學性質，并作了Al、Ga和In三元素摻雜情況之間的對比，得到了可比較的結果。
　　 再次，做了N摻雜SnO2材料的計算，對N替代O原子和N

5、替代Sn原子兩種摻雜下的電子態(tài)密度、電荷密度分布以及各光學性質進行分析。結果表明，N摻雜替代Sn較之N摻雜替代O原子的帶隙要寬，都寬于SnO2的本征帶隙，且兩種情況下N分別處于負氧化態(tài)和正氧化態(tài)，摻雜化合物在替代O和Sn時也分別表現出半金屬性和金屬性。其介電函數譜也與帶隙對應，發(fā)生藍移，折射譜與介電函數實部譜圖像對應，而光吸收邊對應著計算的帶隙，表征價帶頂電子躍遷到導帶底的能力。
　　 最后，選擇In和N作為共摻雜離子，并改變N

6、的摻雜濃度計算共摻雜下SnO2晶體的電子結構、介電函數等光學性質，同時與第三章中In摻雜和第四章中的N摻雜情況進行了比較。共摻結構在-11～-12eV能量范圍內，出現了一部分細的強局域帶，且在帶隙內，自旋向下的方向上也產生了局域能級，表明此時形成的共摻化合物也具有半金屬的性質。通過摻入激活施主元素In，能有效提高受主摻雜元素N的摻雜濃度，并提高摻雜系統(tǒng)的穩(wěn)定性。介電虛部譜中，主要在8.58eV附近存在一個峰值大小為7.64的主介電峰，比