ZnO光学性质与掺杂的第一性原理研究

论文摘要

氧化锌（ZnO）是一种新型的Ⅱ-Ⅵ族多功能直接带隙化合物半导体材料,在室温下禁带宽度为3.37eV,束缚激子能高达60meV。在晶格特性和能带结构方面与GaN有许多相似之处,拥有可以比拟的光电特性,而且还具有更高的激子束缚能以及较低的生长温度,被认为是有望取代GaN的新一代短波长光电子材料,因而成为半导体材料科研领域的一个热门课题。但是,从1996年首次报导ZnO薄膜的室温紫外发射距今已有十余年,ZnO基激光二极管、发光二极管等短波长光电器件仍未达到实用化的水平,其中一个主要原因是高质量的p型ZnO薄膜的稳定、可重复制备工艺尚未实现。围绕这种背景,本论文基于密度泛函理论,以第一性原理为研究方法,对本征ZnO及掺杂ZnO进行模拟研究,从以下四个方面开展了工作:首先,研究了本征ZnO的电子结构,通过对能带结构、总体态密度、分波态密度的分析,说明了ZnO为直接宽带隙半导体,呈现出n型导电性,计算结果同时表明锌填隙（ Zni）是造成p型掺杂困难的主要原因。其次,我们还详细地计算了本征ZnO的复介电函数、复折射率、反射光谱、吸收光谱、能量损失函数等光学性质,探讨了微观结构与宏观光学响应的关系。通过比较,我们的计算结果和其他理论、实验值符合的很好。然后,研究分析了以Ⅲ族（B、Al、Ga、In）原子对ZnO进行n型掺杂,在导带底出现掺杂原子贡献的大量电子,引起ZnO体系电导率的提高。随着Al掺杂浓度的增大,ZnO的整个能带向低能方向漂移,费米能级进入导带,简并化加剧。由掺杂模型的几何结构优化之后所得的晶格常数与实验值非常=接近,说明我们的计算结果是可信的。最后,以不同N掺杂浓度和N+Al共掺的方式分别进行p型掺杂,计算结果表明:N单元掺杂时由于ZnO的自补偿作用,受主N在ZnO中的溶解度较低,难以实现p型掺杂;而N+Al共掺能有效提高受主N的溶解度,提高了ZnO体系空穴浓度,在价带顶附近形成了浅受主能级,有利于p型ZnO的形成,为实验上制备p型ZnO薄膜提供理论依据。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第1章 绪论
• 1.1 ZnO 的研究起源
• 1.2 ZnO 材料的应用
• 1.3 ZnO 薄膜的制备方法
• 1.3.1 脉冲激光沉积法
• 1.3.2 磁控溅射法
• 1.3.3 金属有机物化学气相沉积
• 1.3.4 溶胶凝胶法
• 1.3.5 喷雾热解法
• 1.3.6 分子束外延法
• 1.3.7 原子层外延法
• 1.4 Zn0 薄膜的掺杂研究进展
• 1.5 ZnO 的基本性质
• 1.6 本文的研究目的和研究内容
• 1.6.1 研究目的
• 1.6.2 研究内容
• 第2章 第一性原理计算方法
• 2.1 第一性原理
• 2.2 密度泛函理论
• 2.2.1 Hartree-Fock 近似
• 2.2.2 Hohenber–Kohn 定理
• 2.2.3 Kohn-Sham
• 2.2.4 局域密度近似和广义梯度近似
• 2.3 赝势方法
• 2.4 能带理论
• 2.5 结构优化
• 2.6 CASTEP 软件包
• 第3章 本征ZnO 电子结构及光学性质的第一性原理研究
• 3.1 计算模型
• 3.2 计算结果与分析
• 3.2.1 能带结构
• 3.2.2 态密度
• 3.3 光学性质的计算
• 3.3.1 复介电函数
• 3.3.2 复折射率
• 3.3.3 反射率
• 3.3.4 吸收率
• 3.3.5 能量损失函数
• 3.4 本征点缺陷
• 第4章 掺杂ZnO 电子结构的第一性原理研究
• 4.1 n 型ZnO 掺杂
• 4.1.1 计算模型
• 4.1.2 Ⅲ族单元掺杂
• 4.1.3 不同 Al 浓度掺杂
• 4.2 p 型ZnO 掺杂
• 4.2.1 计算模型
• 4.2.2 不同N浓度掺杂
• 4.2.3 N 与Al 共掺
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 在学期间公开发表论文情况
• 致谢