AlN和TiO-,2-摻雜體系的電子結構和光學性質的理論研究.pdf

1、AlN是一種很有發(fā)展前途的新型光電子材料，在AlN中摻雜Si元素，可以得到較理想的n型AlN薄膜材料，提高系統(tǒng)的電導率，改善其導電性能和光學性質。本征AlN是n型半導體，存在較多本征施主缺陷(如氮空位VN)，很難經過摻雜實現(xiàn)p型轉變，因而無法制得氮化鋁p-n結結構，這在一定程度上限制了氮化鋁基光電器件的開發(fā)應用，因此AlN的p型摻雜就成了熱點問題。 銳鈦礦相半導體TiO2在光催化方面有廣泛應用，其帶隙為3.2eV，光催化所需最大

2、波長為387nm，位于紫外光區(qū)，太陽光的利用率很低。因此，為提高太陽光的催化效率，就需要把TiO2的光學吸收邊從紫外區(qū)移至可見光區(qū)，摻雜是實現(xiàn)這一目的的有效方法。 本文利用第一性原理方法研究了Si和C摻雜AlN系統(tǒng)、氧空位與Sc摻雜銳鈦礦TiO2系統(tǒng)的電子結構和光學性質，并與可能的實驗結果進行了比較。我們的計算工具是基于密度泛函理論的CASTEP軟件。 (1)研究了純AlN和Si摻雜AlN系統(tǒng)的電子結構和光學性質。結果表

3、明，純AlN是直接帶隙半導體，帶隙為6.2eV，其價帶主要來源于N2p態(tài)的貢獻，少部分來源于Al3s、3p態(tài)的貢獻；導帶主要來源于Al3p態(tài)的貢獻。Si摻雜后，雜質能級位于導帶底附近，與Al3p能級形成復合導帶底，費米能級插在導帶中間，使系統(tǒng)發(fā)生莫特相變，由半導體變?yōu)榻饘佟＜傾lN的介電函數(shù)虛部在8.83eV、11.46eV和13.24eV附近有吸收峰，光吸收主要分布在6～15eV的能量范圍內，在9eV附近的吸收最強，峰值達到3.01×

4、105cm-1；折射率n0約為1.5，其峰值主要分布在6.7～8.7eV的能量范圍內，當能量大于7.76eV時，折射率隨能量的增加逐漸減小；消光系數(shù)和光電導率實部的峰值位置與吸收系數(shù)的峰值位置對應，能量損耗的主峰在14.1eV附近。Si摻雜后，在6～15eV能區(qū)內對系統(tǒng)的光學性質影響很小，而在1.5～3.5eV的低能(可見光)區(qū)有新的吸收峰出現(xiàn)，量級達105cm-1，能量損耗降低。 (2)對于AlN系統(tǒng)，研究了C替代Al位(CA

5、1)、N位(CN)以及CAl與CN共摻(CAl-CN)三種情況的雜質形成能和電子結構。結果表明，摻雜后系統(tǒng)的禁帶寬度都變??；CAl的雜質形成能最小，最容易形成；CAl是n型摻雜，施主能級位于導帶底下約1.27eV處。CN的雜質形成能最大，最難形成；但CN可使系統(tǒng)實現(xiàn)p型轉變，受主能級位于價帶頂約0.21eV處。CAl和CN共存時，CAl對CN有補償作用，這對系統(tǒng)的p型轉變不利。 (3)對于銳鈦礦TiO2系統(tǒng)，研究了Sc摻雜、含氧