电荷对非晶态氧化物原子及电子结构性能的影响

摘要

非晶态氧化物材料在固体电子材料领域有着广泛的应用，比如传感器 固态存储器、光电二极管、微电子CMOS器件中。非晶态氧化物中通常会引入荷电的氧空位缺陷，荷电氧空位的存在会对非晶态氧化物的原子结构和电子结构产生重要影响。本论文通过分子动力学产生非晶态氧化，采用密度泛函理论计算荷电缺陷体系的电子结构和缺陷形成能，理论计算表明荷电氧空位缺陷在带隙中产生了缺陷态，通过体系的分波态密度分析得到缺陷态来源于缺陷附近的原子。同时计算了荷电缺陷的形成能，比较了这些缺陷的稳定性。 首先，通过分子动力学模拟升温到 SiO2、Al2O3、MgO、HfO2、TiO2和 ZrO2等晶体的熔点之上，采用快速降温冷却得到非晶态氧化物结构，并对非晶结构进行优化。在非晶态氧化物中去掉一个氧原子形成空位缺陷，并使体系带上电荷，在此基础上驰豫缺陷体系得到荷电缺陷对非晶态氧化物原子间键长和键角的影响。当氧空位缺陷为+2、+1、-2、-1价时缺陷附近Si-O键长变大，其相对变化值在 5.80~11.67%之间，O-Si-O 键角变小，相对变化值范围在-18~-2%，中性态时键长、键角相对变化最小。非晶态Al2O3中，缺陷附近Al-O键长、键角有增大也有减小，较SiO2的键长相对变化值要小很多，当氧空位的缺陷为+2、+1价时，Al-O键长相对变化值分别在-4.997~0.7014%、-3.35~1.78%，O-Al-O 键角相对变化值分别在-14.69~12.43%、-5.56~4.60%，除了两个反常的Al-O键和O-Al-O键角外，其余键长减小、键角增大；当氧空位价态为 0、-1、-2 时，Al-O 键长的变化规律正好和带正价态时相反，大部分Al-O键长增加，O-Al-O键角减小。 荷电缺陷在非晶态氧化物中引入了缺陷态，在非晶态 SiO2中，各价态氧空位态缺陷产生的缺陷态对应带隙中的浅缺陷能级，缺陷态来源于缺陷附近Si的3s、3p轨道和O的2p轨道；在非晶态Al2O3中，各价态氧空位态缺陷产生的缺陷态对应带隙中的深缺陷能级。同时计算了缺陷形成能得到各种荷电缺陷的热力学转换能级和缺陷的稳定价态，在非晶态SiO2中，当缺陷价态为+2、+1、0、-1、-2时对应的缺陷形成能分别为6.02eV、5.67eV、5.55eV、12.20eV、19.97eV，其中-2、-1、0价态的缺陷在非晶态SiO2结构中是稳定的。在非晶态Al2O3中，当缺陷的价态为+2 、+1、0、-1、-2时缺陷形成能为-2.97eV、1.58eV、6.69eV、15.15eV、24.42eV，其中缺陷为+2、+1、0 价态时在非晶态Al2O3中是稳定存在的。用HSE杂化泛函修正DFT的PBE泛函计算的缺陷形成能和热力学转换能级，得到HSE杂化泛函给出的结果更可靠。

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