内在缺陷与Cu掺杂共存对ZnO电磁光学性质影响的第一性原理研究

摘要

采用基于自旋密度泛函理论的平面波超软赝势方法,研究了Cu掺杂ZnO(简称CuZn)与内在缺陷共存对ZnO电磁光性质的影响.结果表明,Cu是以替位受主的形式掺入的;制备条件对CuZn及内在缺陷的形成起至关重要的作用,富氧条件下Cu掺杂有利于内在缺陷的形成,且CuZn-Oi最易形成;相反在缺氧条件下,Cu掺杂不利于内在缺陷的形成.替位Cu的3d电子在价带顶形成未占据受主能级,产生p导电类型.与CuZn体系相比,CuZn-VO体系中载流子浓度降低,导电性变差;CuZn-VZn体系中载流子浓度几乎不变,对导电性没影响;CuZn-Oi体系中载流子浓度升高,导电性增强.纯ZnO体系无磁性;而Cu掺杂ZnO体系,与Cu原子相连的O原子,电负性越小,键长越短,对磁矩贡献越大;CuZn与CuZn-Oi体系中的磁矩主要是Cu的3d电子与Z轴上O的2p电子耦合产生的;CuZn中存在空位缺陷(VO,VZn)时,磁矩主要是Cu 3d电子与XY平面内O的2p电子强烈耦合所致;CuZn中存在VZn时,磁性还包含VZn周围O(5,6)号原子2p轨道自旋极化的贡献;所有体系中Zn原子自旋对称,不产生磁性.CuZn-VZn和CuZn-Oi缺陷能态中,深能级中产生的诱导态是O-O 2s电子相互作用产生的.CuZn模型的光学带隙减小,导致吸收边红移;CuZn-VZn模型中吸收和反射都增强,使得透射率降低.