论文摘要
氧化锌是一种Ⅱ-Ⅵ族宽禁带氧化物半导体材料。被普遍认为是继GaN材料之后的另外一种优秀的光电材料,其制备的薄膜被广泛应用于声表面波器件、体声波器件、气敏传感器、压敏电阻、透明电极、紫外探测器等领域。近年来,ZnO作为宽禁带半导体光电材料的研究越来越受到人们的重视。ZnO薄膜具有多项优点,如生长温度低,激子结合能高,受激辐射阀值低等,可以用于开发基于氧化锌的紫外光探测器、紫外发光二极管和紫外激光二极管等光电子器件。利用异质结制作的激光器、电致发光二极管、光电探测器等,比同质结制作的同类元件的性能优越。异质结器件中很重要的步骤是要能够利用掺杂完成对半导体带隙的调制,以此制备出基于氧化锌的量子阱、超晶格及相关的光电器件。本论文首先通过第一性原理计算研究氧化锌能带特性,通过Be原子掺杂研究其带隙的调制的关系及对光学特性的影响。接着采用溶胶凝胶法实验研究了过渡金属和稀土元素掺杂对氧化锌带隙调制的特性及光学特性的影响。为其器件化提供一些基础性研究。本论文分为六章,绪论部分介绍了ZnO材料的基本性质,包括电子结构和能带性质及研究现状,n型掺杂和p型掺杂特性及掺杂对带隙调制研究的现状。第二章介绍了第一性原理密度泛函理论基本知识及其求解的过程。第三章介绍了GW理论处理激发态的理论知识及方程的求解过程。第四章针对LDA近似中对带隙的低估采用GW近似讨论了GW对能带的修正。第五章计算了Be掺杂对ZnO掺杂带隙的调制关系,以及对其光学性质的影响,分析了Be掺杂引起带隙变化的原因。第六章利用溶胶凝胶法制备了Co掺杂ZnO薄膜,接着在Co掺杂ZnO薄膜基础上掺杂Sm稀土元素,讨论了两种掺杂薄膜光学性质及带隙的变化。