第一性原理的广义梯度近似＋U方法的纤锌矿Zn(1-x)MgxO极化特性与Zn(0.75)Mg(0.25)O/ZnO界面能带偏差研究

摘要

在纤锌矿结构Zn_(1-x)Mg_xO/ZnO异质结构中发现了高迁移率的二维电子气(2DEG),2DEG的产生很可能是由于界面上存在不连续极化,而且2DEG通常也被认为是由极化电荷产生的结果.为了探索2DEG的形成机理及其产生的根源,研究Zn_(1-x)MgxO合金的极化特性与ZnO/Zn_(1-x)Mg_xO超晶格的能带排列是非常必要的.基于第一性原理广义梯度近似+U方法研究了Zn_(1-x)Mg_xO合金的自发极化随Mg组分x的变化关系,其中极化特性的计算采用Berry-phase方法.由于ZnO与Zn_(1-x)Mg_xO面内晶格参数大小相当,ZnO与Zn_(1-x)Mg_xO的界面匹配度优良,所以ZnO/Zn_(1-x)Mg_xO超晶格模型较容易建立.计算了Mg_(0.25)Zn_(0.75)O/ZnO超晶格静电势的面内平均及其沿着Z(0001)方向上的宏观平均.(5+3)Mg_(0.25)Zn_(0.75)O/ZnO超晶格拥有较大的尺寸,确保远离界面的Mg_(0.25)Zn_(0.75)O与ZnO区域与块体计算情况一致.除此之外,基于宏观平均为能量参考,计算得到Mg_(0.25)Zn_(0.75)O/ZnO超晶格界面处价带偏差为0.26 eV,并且导带偏差与价带偏差的比值处于合理区间,这与近来实验上报道的结果相符.除了ZnO在[0001]方向上产生自发极化外,由于在ZnO中引入Mg杂质会产生应变应力,导致Mg_xZn_(1-x)O层产生额外的极化值.这样必然会在Mg_(0.25)Zn_(0.75)O/Zn界面处产生非连续极化现象,促使单极性电荷在界面处积累,从而在Mg_(0.25)Zn_(0.75)O/Zn超晶格中产生内在电场.此外,计算了Mg_(0.25)Zn_(0.75)O/ZnO超晶格的能带排列,由于价带偏差△Ev=0.26 eV与导带偏差△Ec=0.33 eV,表明能带遵循I型排列.Mg_(0.25)Zn_(0.75)O/ZnO的这种能带排列方式足以让电子与空穴在势阱中产生禁闭作用.2DEG在电子学与光电子学领域都有重要应用,本文的研究结果将对Mg_(0.25)Zn_(0.75)O/ZnO界面2DEG的设计与优化中起到重要作用,并且可以作为研究其他Mg组分的Mg_xZn_(1-x)O/ZnO超晶格界面电子气特性的参考依据.