過渡金屬摻雜β-Ga-,2-O-,3-的電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)的第一性原理研究.pdf

1、近幾年來，在材料科學(xué)方面有兩個熱點(diǎn)領(lǐng)域受到人們的極大關(guān)注。一是稀磁半導(dǎo)體(DMSs)，作為一種新的功能材料，開辟了在半導(dǎo)體器件中引入自旋自由度的途徑，因此顯示出巨大的應(yīng)用潛力。該領(lǐng)域研究主要的任務(wù)之一是尋求居里溫度高于室溫的DMS材料。人們對Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族(DMSs)進(jìn)行了廣泛的研究，并發(fā)現(xiàn)了一些新的DMS材料如：Mn摻雜CdGeP2、閃鋅礦結(jié)構(gòu)的CrAs等。特別是在最近的幾年里，過渡金屬摻雜氧化物尤其是TiO2和ZnO作為室溫鐵磁

2、性的DMSs引起人們的關(guān)注。另一個是居間半導(dǎo)體帶太陽能電池，作為一種超越單帶隙半導(dǎo)體太陽能電池效率的新途徑而提出。居間帶材料是指在半導(dǎo)體的價帶和導(dǎo)帶之間的禁帶中存在著一個中間帶的半導(dǎo)體材料。居間帶只在某些化合物中形成，比如：Ga4P3M和Ga4As3M、Ga32P31M和Ga31P32M，其中M為過渡金屬。該領(lǐng)域的主要任務(wù)之一是設(shè)計(jì)居間帶材料。 β-Ga2O3作為一種寬禁帶半導(dǎo)體化合物，具有優(yōu)異的物理和化學(xué)穩(wěn)定性，在光電子器件、

3、太陽能電池等方面具有重要的應(yīng)用。但到目前為止，它是否可以用于自旋電子學(xué)器件和居間帶太陽能電池的材料，尚未被研究過。因此，探討過渡金屬元素?fù)诫sβ-Ga2O3的電子結(jié)構(gòu)、自旋極化性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)是一個新的課題。 本論文運(yùn)用第一性原理密度泛函理論和局域密度近似(LDA)對β-Ga2O3及過渡金屬Ti、V、Cr、Fe、Mn、Ni和Co摻雜的β-Ga2O3進(jìn)行理論研究，計(jì)算摻雜的能帶結(jié)構(gòu)、自旋總態(tài)密度和自旋分態(tài)密度及光學(xué)性質(zhì)，分析每種元素?fù)?/p>

4、雜的能帶結(jié)構(gòu)和自旋性質(zhì)，探討Ti、V、Cr、Fe、Mn、Ni和Co摻雜的β-Ga2O3作為稀磁半導(dǎo)體和居間帶半導(dǎo)體材料的可行性。 主要結(jié)果和結(jié)論如下： (1)基于第一性原理總能量平面波贗勢方法，采用廣義梯度近(GGA)和局域密度近似(LDA)等不同的交換關(guān)聯(lián)勢，計(jì)算了單斜晶系結(jié)構(gòu)β-Ga2O3的總能量及體系平衡時的晶格常數(shù)，討論了不同交換關(guān)聯(lián)勢對晶格常數(shù)的影響，分析了體系平衡時的能帶結(jié)構(gòu)、能隙、態(tài)密度和分態(tài)態(tài)密度。與六方

5、晶系結(jié)構(gòu)α-Ga2O3的結(jié)果進(jìn)行對比，能量的計(jì)算結(jié)果表明單斜晶系結(jié)構(gòu)β-Ga2O3較六方晶系結(jié)構(gòu)α-Ga2O3更穩(wěn)定。 (2)基于密度泛函理論的平面波贗勢方法和局域密度近似(LDA)，對過渡金屬Ti、V、Cr、Fe、Mn、Ni和Co摻雜β-Ga2O3的晶格常數(shù)、最低能量、能帶結(jié)構(gòu)、自旋態(tài)密度進(jìn)行了計(jì)算。在費(fèi)米面附近，F(xiàn)e、Cr、Mn、Ni和Ti摻雜β-Ga2O3僅存在一種自旋極化態(tài)密度；然而，由于Mn和Ni摻雜β-Ga2O3后反

6、鍵態(tài)沒有被完全占滿使得它們顯示鐵磁性質(zhì)；由于Fe、Cr和Ti摻雜β-Ga2O3后反鍵態(tài)或空或被占滿使得它們的基態(tài)為自旋玻璃態(tài)。V和Co摻雜β-Ga2O3后自旋向上部分和自旋向下部分相互交疊，因而對總的和分態(tài)態(tài)密度圖中峰值的貢獻(xiàn)是相同的，因此，V和Co摻雜β-Ga2O3后不顯示鐵磁性。從居間帶材料用于太陽能電池和其它光電子器件的觀點(diǎn)來看，只有Cr、Fe、Mn和Ni摻雜β-Ga2O3有孤立的半滿或全滿的居間帶，且有一定的帶寬；而Ti、V和C

7、o摻雜沒有孤立的居間帶，這是由于自旋相互作用較弱，雜質(zhì)能級與導(dǎo)帶底部分雜化引起的。接下來我們對過渡金屬摻雜β-Ga2O3的介電函數(shù)實(shí)部和虛部進(jìn)行了討論。過渡金屬摻雜β-Ga2O3后帶隙明顯減小，帶隙從β-Ga2O3的4.8 eV減小到Cr、Fe、Mn、，Ni、Ti、V、Co摻雜β-Ga2O3的2.72、3.30、2.85、2.51、2.37、2.40、0.27eV。β-Ga2O3和過渡金屬摻雜的β-Ga2O3豐富的能帶結(jié)構(gòu)，為從紫外區(qū)域