Al-2N掺杂量对ZnO光电性能的影响

摘要

与本文相近的Al-2N掺杂量的范围内,对ZnO掺杂体系吸收光谱分布红移和蓝移两种实验结果均有文献报道,但是,迄今为止对吸收光谱分布尚未有合理的理论解释.为了解决该问题,本文采用基于密度泛函理论的广义梯度近似平面波超软赝势方法,用第一性原理构建了两种不同掺杂量的Zn0.98148Al0.01852O0.96296N0.03704和Zn0.96875Al0.03125O0.9375N0.0625超胞模型.在几何结构优化的基础上,对模型能带结构分布、态密度分布和吸收光谱分布进行了计算.计算结果表明,在本文限定的掺杂量范围内,Al-2N掺杂量越增加,掺杂体系的体积越减小,体系总能量越升高,体系稳定性越下降,形成能越升高,掺杂越难;所有掺杂体系均转化为简并p型化半导体,掺杂体系最小光学带隙均变窄,吸收光谱均发生红移;同时发现掺杂量越增加,掺杂体系最小光学带隙变窄越减弱,吸收光谱红移越减弱.研究表明:要想实现Al-2N共掺在ZnO中最小光学带隙变窄、掺杂体系发生红移现象,除了限制掺杂量外,尺度长短也应限制;其次,Al-2N掺杂量越增加,掺杂体系空穴的有效质量、浓度、迁移率、电导率越减小,掺杂体系导电性能越减弱.计算结果与实验结果的变化趋势相符合.研究表明,Al-2N共掺在ZnO中获得的新型半导体材料可以用作低温端的温差发电功能材料.