(Ni,Co)单掺及Al-N共掺ZnO的第一性原理研究

摘要

氧化锌(ZnO)作为一种新型的直接宽禁带半导体材料,室温下,测得其禁带宽度为3.37eV,激子束缚能为60meV,并且具有无毒、廉价、抗辐射能力强、较高的机电耦合性能和很好的稳定性等性质,在光电材料方面一直受到国内外学术界的广泛关注。
　　本文采用第一性原理分别研究了不同浓度过渡金属Ni和Co掺杂纤锌矿ZnO的电子结构和吸收光谱。计算结果表明,Ni的掺入使得ZnO体系的杂质能带和导带发生了简并化,导带底和价带顶同时向低能方向移动,由于导带比价带下降的多,导致禁带宽度变窄发生红移现象。并且掺杂浓度越高,禁带宽度越窄,吸收光谱红移越显著;对Co掺杂纤锌矿ZnO研究发现,Co掺杂浓度越高,形成能越大,掺杂越困难。同时,随着掺杂浓度的提高,折合能量也不断增大,体系结构相对不稳定。Co掺杂纤锌矿ZnO体系的杂质能带和导带同样发生简并化,各掺杂体系的导带与价带相比下移不是很明显,所以禁带宽度变宽,吸收带边发生蓝移,且掺杂浓度越大,禁带宽度越宽,蓝移也越显著。
　　本文采用第一性原理分别研究了Al与N按照不同配比浓度掺杂纤锌矿ZnO的电子结构和吸收光谱。研究结果表明,Al与N共掺都未使晶格常数发生明显变化,各体系的总能量随着掺杂N元素浓度的增加而增加,也就是随着掺杂N元素浓度的增加体系变得越来越不稳定,通过对它们的形成能分析可知,各自的形成能随着掺杂N元素浓度的增加也变大,这说明掺杂也变得越来越困难。同时,Al与N元素共掺杂纤锌矿ZnO的空穴浓度都随着掺杂N元素浓度的增加而变大,这更有利于获得p型掺杂。当Al和N的配比浓度比例为1:4时,空穴浓度最高,这更有利于电导率的提高。
　　此外,我们还研究了Al与N元素共掺杂纤锌矿ZnO的吸收光谱分布,结合能带结构分析了吸收光谱分布,计算结果表明,当Al和N的配比浓度为1:4时,禁带宽度最宽为3.62eV,与纯的ZnO的禁带宽度3.37eV相比,禁带宽度拓宽了0.25eV,吸收光谱蓝移最明显,这更有利于ZnO短波光学器件的获得,对设计和制备新型光学器件有一定的理论指导作用。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 ZnO的晶格结构

1.3（Ni，Co）单掺ZnO的研究进展

1.4 Al-N共掺ZnO的研究进展

1.5 本文主要研究内容及创新点

第二章 纯ZnO的电子结构和光学性质

2.1 引言

2.2 计算模型和计算方法

2.3 结果与分析

2.4 小结

第三章（Ni,Co）单掺ZnO电子结构及光学性质研究

3.1 引言

3.2 计算方法

3.3 Ni单掺ZnO

3.4 Co单掺ZnO

3.5 本章小结

第四章 Al和N单掺ZnO的电子结构及光学性质研究

4.1 引言

4.2 模型构建和计算方法

4.3 Al单掺ZnO

4.4 N单掺ZnO的电子结构研究

4.5 本章小结

第五章 Al与N共掺ZnO的电子结构及光学性质研究

5.1 引言

5.2 模型构建和计算方法

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

参 考 文 献

致谢

在读期间取得的科研成果