论文摘要
ZnO属于Ⅱ-Ⅵ族宽带半导体，其禁带宽度为3．37eV，激子束缚能为60meV，在短波光电器件上具有很大的潜力，使得ZnO成为当今半导体材料研究领域关注的热点。在ZnO光电特性研究中，制备结型器件是ZnO薄膜实用化的关键。实现ZnO基结型器件需要满足两个基本的条件：ZnO可靠p型掺杂的实现以及通过掺杂有效地调节ZnO的能带。本文采用基于密度泛函的第一性原理方法，讨论了涉及能带工程的Cd、Be和Mg掺杂；以及涉及p型导电的Cu、Ag以及Li-N和Be-N共掺问题。通过计算这几种常见掺杂体系的晶体结构和电子结构，得到的主要研究结果如下：1．通过对掺杂前后电子能带结构、态密度以及分态密度的计算和比较，发现CdxZn1-xO价带顶端（VBM，conduction band minimum）始终由O-2p占据；而导带顶端（CBM，conduction band minimum）则由Cd-5s与Zn-4s杂化轨道控制。随着掺杂浓度的增加，带隙宽度的变窄由CBM位置下降和VBM位置上升共同决定，是产生荧光光谱红移的主要原因。此外，我们发现，Cd掺杂引起晶胞发生膨胀也是导致CdxZn1-xO禁带宽度变小的原因之一，晶格膨胀对带隙减小的贡献约为20％-30％。通过研究Cd原子对ZnO中本征缺陷形成能及离化能的影响，我们发现，当Cd原子与VO（O空位）靠近时，可以显著降低VO的形成能，导致CdZn-VO复合体(其中CdZn为Cd原子替位原子)的形成，但对其它本征缺陷的形成能影响不大。然而，计算结果显示CdZn-VO复合体的离化能较高，与VO接近，不太可能是n型载流子的起源。因此，我们进一步研究了更为复杂的复合体结果，如Zni-CdZn-VO（其中Zni为Zn填隙），并由此推论n型载流子的起源可能与Zni-CdZn-VO类似的复合体结构有关，如Zni-2CdZn-2VO和Zni-3CdZn-3VO等。2．利用第一性原理计算，对Be掺杂及Mg掺杂ZnO的带结构，DOS和轨道能级进行了系统研究。结果显示，由于Be和Mg没有d电子，使得掺杂后合金的p-d排斥减弱，从而使得VBM下降。同时由于Be和Mg的最外层s点的轨道能量较高，有效地提升了合金中的CBM。VBM与CBM的共同作用使得掺杂后的ZnO带隙展宽。此外，我们研究了Be掺杂导致的合金压应变对带隙展宽的贡献，发现晶格缩小对带隙展宽的影响约为20％-30％。掺杂合金形成焓的结果计算结果显示，显示由于Mg与Zn的离子半径差别较小，Mg掺杂ZnO比Be掺杂更稳定。3．对纤锌矿结构CuxZn1-xO和AgxZn1-xO的晶体结构和电子结构进行了第一性原理计算。与具有相似离子半径的Mg和Cd掺杂相比，Cu和Ag掺杂的形成焓高于Mg和Cd掺杂，合金稳定性下降。电子结构的计算结果显示，Cu和Ag掺杂导致ZnO带隙的减小。通过分析Cu和Ag掺杂ZnO的电子结构，我们发现Cu和Ag掺杂属于受主掺杂，其杂质能级位于VBM附近，重掺杂使得Cu-3d和Ag-4d电子的杂质能级展宽，并与O-2p电子占据的VBM相连接是导致ZnO带隙减小的主要贡献。因此，Cu，Ag掺杂引起的ZnO带隙减小主要发生在掺杂浓度足以使得杂质能带与VBM相连之后；一旦杂质能带与VBM相连，掺杂浓度增加对带隙的影响不大，此时，Cu-4s和Ag-5s电子对CBM的影响是带隙变化的重要原因。4．通过计算Li，N共掺和Be，N共掺ZnO中缺陷的形成能、离化能以及结合能，发现对于Li，N共掺，在O充足的情况下，LiZn（Li替位Zn）是产生p型的原因，而在Zn充足的情况下，Lii-LiZn-NO复合体（其中Lii为Li填隙，NO为N替位O）有着相对较低的形成能和离化能，以及最低的结合能，因此可能成为这种情况下p型的起源。对于Be，N共掺ZnO，讨论了nBeZn-NO及Bei-nNO两种类型的缺陷(其中BeZn为Be替位Zn，Bei为Be填隙)。结果显示，在O充足的情况下，4BeZn-NO是p型导电性的起源，而在Zn充足的情况下，除了4BeZn-NO之外，Bei-3NO也可能是对p型导电性产生贡献。5．通过第一性原理赝势计算对HX（Hexagonal）以及WZ（Wurtzite）ZnO的比较研究，讨论了两相在临界相变压时电子结构以及光学属性包括介电函数，折射率和吸收系数。结果显示WZ转变为HX时，能带从直接带隙变为了间接带隙，而且带隙宽度也相应的减小。HX的介电函数与WZ存在一定的不同，特别是在E／／c方向。相似的情况也出现在折射率以及吸收系数上。这些差异可以归结为HX结构在c轴上比WZ多一个键。此外对HX的电子结构以及光学属性也进行了讨论。