贵金属(Cu、Ag、Au)掺杂ZnO晶体电子结构及光学性质的第一性原理研究

摘要

ZnO晶体属于II-VI族宽带隙半导体，不但禁带宽度大（3.37eV），而且具有很高的激子束缚能为60meV，在短波光电器件上具有很大的应用潜力，因此而成为当今半导体材料研究领域最受关注的热点之一。
　　本征 ZnO由于内部的大量施主缺陷而呈 n型导电性，采用 Al、Ga等 III族元素掺杂，已经制备出了性能较好的n型 ZnO，但是由于受主元素在 ZnO中较低的固溶度，施主缺陷的自补偿、较深的受主能级等缘故，很难制备出优良的p型 ZnO。优质的p型 ZnO薄膜制备是实现 ZnO基光电器件的关键。如何实现 ZnO的高浓度 p型掺杂，从而制作出 p-n结是目前所面临的一个重大难题。
　　但是，关于贵金属掺杂对 ZnO结构和光学性能影响的系统的理论计算和分析少有报道。贵金属（Au、Ag和Cu）是p型 ZnO可供选择的掺杂元素。因此，从理论上预测 p型掺杂的可能性，从而为实验研究提供指导，是一项很有意义的工作。在本文中，我们采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了Zn1-xMxO(M=Cu、Ag、Au)的晶体结构、能带结构、电子态密度、形成能、布居分析和光学性质等。主要结果如下：
　　（1）计算了纤锌矿 ZnO能带结构、态密度、布居分析和光学性质。从理论上验证了 ZnO属于直接带隙半导体；采用“剪刀”算符工具对带隙修正后计算的光学特性有的与实验符合，有的与他人的理论结果相符合，这说明我们的计算方法是正确的，可行的。
　　（2）对纤锌矿结构 CuxZn1-xO和AgxZn1-xO以及 AuxZn1-xO(x=0.0625)的晶体结构、能带结构、形成能、布居分析和光学性质进行了第一性原理计算。贵金属掺杂后带隙减小且体系费米能级附近电子态密度主要来源于Cu3d、Ag4d和Au5d态电子的贡献，是明显的p型杂质形式；形成能计算表明 Ag、Au替代 Zn是吸热反应，但 Cu替代 Zn是放热反应；光学性质方面，在可见光区，介电函数虚部、反射系数和吸收系数明显增大。同时，紫外吸收有所加强，Cu、Ag、Au掺杂 ZnO利于在紫外探测器和紫外光发射二极管等短波光电器件方面的应用。能量损失谱计算表明，贵金属（Cu、Ag、Au）掺杂后 ZnO的等离子体共振频率峰发生蓝移。
　　（3）分别对 CuxZn1-xO、AgxZn1-xO、AuxZn1-xO（X=0.0556、0.0625、0.125）在带隙、晶格常数和光学性质随掺杂浓度变化进行了对比分析。与纯 ZnO相比，贵金属掺杂对 ZnO在低能区的光学性质有所影响，对高能区光学性质基本没有影响。贵金属掺杂后随掺杂浓度的增加介电函数虚部峰值增加，反射率增加，吸收系数增加。
　　本文的计算结果，对进一步认识 ZnO晶体的电学性质和光学性质具有一定的参考价值。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 ZnO晶体的研究现状

1.2 研究ZnO晶体的性质及其应用

1.3 本文的研究目的、方法和主要内容

2 密度泛函理论与计算软件简介

2.1 密度泛函理论（DFT）

2.2 自洽计算

2.3 赝势平面波方法

2.4 平面波形式的Kohn-Sham方程

2.5 计算软件简介VASP简介

3 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 能带结构和态密度

3.3 优化前后ZnO晶体结构的变化

3.4 电荷布居数分析

3.5 光学性质的计算

3.6 本章小结

4 贵金属Cu、Ag、Au掺杂ZnO电子结构和光学性质

4.1 相同浓度的Cu、Ag、Au掺杂ZnO的电子结构和光学性质

4.2 Cu、Ag、Au不同掺杂浓度对ZnO电子结构和光学性质的影响

4.3 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献