Al-N共掺杂ZnO的第一性原理研究

为了研究p型ZnO的掺杂改性,本文运用第一性原理密度泛函理论研究了未掺杂,Al、N单掺杂和Al-N共掺杂ZnO晶体的几何结构、能带结构、电子态密度.计算结果表明:未掺杂,Al、N单掺杂和Al-N共掺杂ZnO的超晶胞体积分别为0.2043 nm3、0.2034 nm3、0.2027 nm3、0.1990 nm3,带隙分别为0.72 eV、0.71 eV、0.60 eV、0.55 eV;N是比较理想的p型掺杂受主,若在禁带中再引入激活施主Al后,可填充的电子数由原来的19个增加到24个,N原子接受从价带跃迁的电子使价带产生非局域化空穴载流子,从而提高了晶体的导电性.与未掺杂,Al、N单掺杂相比,Al-N共掺杂ZnO具有更稳定的结构,更窄的带隙,更好的导电性,更有利于实现p型化.     

Li-N共掺ZnO纳米管的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的计算方法,系列的研究了锯齿型(9,0) ZnO单壁纳米管、Li,N分别掺杂以及Li-2N共掺杂的ZnO纳米管的能带结构、总体态密度、分波态密度.分析发现虽然Li原子单独掺杂不会对纳米管能带结构产生明显影响,但是Li-2N共掺杂比N单独掺杂ZnO纳米管的结构更加稳定,而且Li-2N共掺杂ZnO纳米管是p型简并半导体.     

C和F掺杂p型ZnO的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法对C/F单掺杂ZnO和C-F共掺杂ZnO的O位体系进行了研究,讨论了掺杂体系的稳定性、电子结构和电学性质、光学性质.研究结果表明C和F共掺的形成能比C单掺的形成能小很多,即C和F共掺增加了体系的稳定性;计算获得的电导率之比分别为σC-ZnO/σZnO=9.45,σF-ZnO/σZnO=6.78,σC-F-ZnO/σZnO=19.62,显然,C和F共掺杂对ZnO体系的电导率增强效果最明显;载流子迁移率之比μC-ZnO/μZnO=1.67,μF-ZnO/μZnO =2.31,μC-F-ZnO/μZnO=2.50,说明C和F共掺增加了载流子迁移率.综合电导率和载流子迁移率二者结果,可认为C和F共掺极大地提高了ZnO的导电性.ZnO掺杂体系在可见光波长范围内透射率大于95;,具有良好的透光性.计算结果为实验上制备p型透明导电ZnO材料提供了理论指导.     

锯齿型ZnO单壁纳米管电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(Density functional theory)的计算方法,研究了n--4,6,9的锯齿型(n,0)ZnO单壁纳米管的电子结构,结果表明:锯齿型ZnO单壁纳米管是一种直接宽禁带半导体,其能隙随着横截面的增大而小量增大,并分析了锯齿型单壁纳米管的核外电子分布.     

S-La共掺杂ZnO性能的第一性原理研究

采用基于广义梯度近似的第一性原理方法,研究了纯ZnO、S单掺、La单掺和S-La共掺ZnO的能带结构、态密度和光学性质.S单掺ZnO后,价带和导带同时向低能量转移,导致带隙减小.La单掺ZnO后在导带底产生杂质能级使得带隙减小.S-La共掺ZnO导致La的局部化减弱,表明La形成的施主能级由于S的3 p态的影响变得更浅...     

ZnO:Sb掺杂机理的第一性原理研究

为了研究ZnO:Sb的掺杂机理,本文运用第一性原理密度泛函理论计算了理想纤锌矿ZnO和SbO 、SbZn 、SbZn-2VZn三种Sb掺杂ZnO晶体模型的几何结构、能带结构和电子态密度.计算结果表明:sb的掺人使得晶格发生不同程度的膨胀,其中以SbZn-2VZn复合缺陷模型的膨胀最小,键长最短,说明此结构的化学稳定性最高.通过能带和态密度的分析可知,ShO和SbZn模型存在不合理性,而SbZn-2VZn复合缺陷中的VZn可以使价带产生非局域化空穴载流子.定量计算进一步确认了SbZn-2VZn构型的可填充电子数最多,合理解释了晶体导电性的提高.形成能计算表明,在富氧条件下SbZn-2VZn的形成能最低,说明在富氧条件下掺杂Sb更有利于实现ZnO的p型化.     

Ag,O共掺实现p型氮化铝纳米管电子结构的第一性原理研究

基于第一性原理的平面波超软赝势法对(6, 0)单壁氮化铝纳米管、Ag掺杂,以及Ag和O共掺纳米管进行了几何结构优化。计算讨论了掺杂前后氮化铝纳米管的能带结构、态密度和差分电荷密度。研究显示:本征氮化铝纳米管、Ag掺杂和Ag-O共掺氮化铝纳米管的带隙分别为2.49 eV、1.84 eV和1.80 eV。掺杂构型仍然保持半导体特性,Ag掺杂氮化铝纳米管的价带顶贯穿费米能级从而形成简并态,实现了氮化铝纳米管的p型掺杂,但Ag-4d态和N-2p态电子轨道间有强烈的杂化效应,Ag的单掺总体上是不稳定的。O掺入后,Ag与O之间的吸引作用克服了Ag原子之间的排斥作用,使Ag在氮化铝纳米管中的掺杂更加稳定;共掺纳米管体系的带隙相较于单掺纳米管体系更加窄化,导电性进一步增强。Ag和O共掺有望成为获得p型氮化铝纳米管的有效方法。     

Cu-N共掺杂ZnO体系的稳定性,电子结构和磁性的第一性原理研究

采用第一性原理框架下的全势缀加平面波方法研究了Cu-N共掺杂的ZnO体系的电子结构和磁学性能.基于总能的计算表明,Cu-N共掺杂体系在基态下具有稳定的铁磁性,这个铁磁性的起源可以利用双交换理论进行解释.同时,电子结构的计算表明,掺杂体系在基态下呈现的是半金属特性.在Zn1-xCuxO1-yNy (x=0.0625, y=0.0625)中体系的总的磁矩为2 μB.这些磁矩主要来源于Cu-3d电子和O-2p电子以及N-2p电子的相互作用.     

XPS研究N-Al共掺p型ZnO薄膜的传导特性

采用螺旋波等离子体辅助射频磁控溅射技术,在α-Al2 O3衬底上制备了N-Al共掺ZnO薄膜样品.Hall测量表明室温下ZnAlO∶N薄膜为n型传导,在O2等离子体气氛中550℃退火后变为p型.p型ZnO薄膜的载流子浓度为2.1×1016 cm-3,霍尔迁移率为5 cm2/V·s.用X射线光电子能谱仪(XPS)对退火前后的ZnO薄膜进行了各元素的化学态分析.XPS结果表明,ZnAlO∶N薄膜中存在两种与N元素有关的缺陷,N原子替代O位形成的(N)o和N分子替代O位形成的(N2)o.退火后ZnAlO∶N薄膜中(N2)o缺陷减少,(N)o缺陷浓度占优导致了薄膜传导类型转变.     

磷扩散法制备高掺磷p型ZnO薄膜的磁控溅射工艺的探索

在前期通过n+-Si衬底中的磷向沉积于其上面的ZnO薄膜的扩散制备高掺磷p型ZnO薄膜的研究基础上,探索了较有普遍应用意义的扩散法制备p型ZnO薄膜的磁控溅射工艺.结果表明,当磁控溅射的氧氩质量流量比与衬底温度满足特定的低阶指数函数的匹配关系时,所制备的ZnO薄膜为p型,而且薄膜中磷原子的深度分布是均匀的;另外,这种薄膜的厚度随着氧氩流量比的增加而减小,而薄膜中氧锌原子浓度比都大于1,比值大小与氧氩质量流量比和衬底温度有关.     

La掺杂量对ZnO光电性能影响的第一性原理研究

采用密度泛函理论下的平面波超软赝势方法和杂化泛函理论下的模守恒赝势方法,分别计算了未掺杂ZnO和两种La掺杂浓度的ZnO模型,其中对较高La掺杂浓度的计算还设置了两种不同的掺杂位置.结构优化后,首先通过计算形成能、系统总能量和电荷布居值,对掺杂后体系的稳定性进行了分析;而后结合自旋基态能量与自旋电子态密度对掺杂体系的磁性状态进行了说明;最后通过计算得到的电子结构及吸收光谱讨论了La掺杂量对ZnO光电性能的影响.结果表明:随La掺杂量增加,ZnO体系稳定性有所降低;La掺杂ZnO无磁性,电子结构不会受到自旋能级分裂的影响;与纯ZnO相比,La掺杂ZnO的禁带宽度增大,吸收光谱蓝移,然而通过控制La浓度与掺杂方式可以有效增强La-5d与Zn-4s电子态的交换关联作用而减小ZnO的最小光学带隙,提高ZnO对可见光的吸收系数,使光生空穴-电子对有效分离的影响.     

磷扩散法制备P型ZnO薄膜

应用射频反应磁控溅射的方法,将ZnO薄膜沉积于高磷掺杂的n+型Si衬底上.在沉积和后退火过程中,磷向ZnO薄膜扩散并被激活,使ZnO薄膜由n型转化为p型,从而形成p型ZnO薄膜.X射线衍射分析(XRD)证明了所制备的ZnO薄膜都是高c轴取向的六角纤锌矿结构的薄膜.电学I-V关系曲线的整流特性和空穴浓度≥1.78×1018 /cm3的霍耳效应测试结果证明了p型ZnO薄膜的形成.     

p-ZnO薄膜及其异质结的光电性质

采用射频磁控溅射法,在不同的Ar∶O2条件下,以高掺磷n型Si衬底为磷掺杂源制备了p型ZnO薄膜和p-ZnO/n-Si异质结.对ZnO∶P薄膜进行了光致发光谱(PL)、霍尔参数、Ⅰ-Ⅴ特性、扫描电镜(SEM)和X射线衍射谱(XRD)等测试.结果表明,获得的ZnO∶P薄膜沿(0002)晶面高取向生长,以3.33 eV近带边紫外发光为主,伴有2.69 eV附近的深能级绿色发光峰,空穴浓度为8.982 × 1017/cm3,空穴迁移率为9.595 cm2/V·s,p-ZnO/n-Si异质结I-V整流特性明显,表明ZnO∶P薄膜具有p型导电特性.     

Cu/Ag单掺及Cu-Ag共掺对ZnO光催化性能影响的第一性原理研究

运用第一性原理方法研究了Cu/Ag单掺及Cu-Ag共掺对ZnO稳定性、电子结构和光学性质的影响。Cu_Zn2和Cu_Zn1-Cu_Zn3的形成能接近0.0 eV,Cu_Zn1-Cu_Zn2的形成能为负值,表明Cu较易掺杂且掺杂时有聚集的趋势。Ag_Zn2的形成能为2.5 eV,Ag_Zn1-Ag_Zn2和Ag_Zn1-Ag_Zn3的形成能高于4.5 eV,说明高浓度的Ag掺杂在实际合成中不易出现。Cu_Zn1-Ag_Zn2和Cu_Zn1-Ag_Zn3的形成能与Ag_Zn2的相近。Cu_Zn2、Cu_Zn1-Cu_Zn2和Cu_Zn1-Cu_Zn3模型的Cu3d与O2p轨道有较大程度的杂化,价带...     

p型ZnO的制备以及衬底温度对薄膜特性的影响

本文主要讨论了采用改进的超声雾化设备制备了不同衬底温度条件下的ZnO 薄膜.研究了该系统下不同衬底温度对ZnO薄膜电学、结构特性的影响.霍耳测试结果表明:获得了p型ZnO薄膜,其载流子浓度高达1.30×1019cm- 3 .样品的X射线衍射和场发射扫描电子显微镜的测试结果显示,在该系统下450℃时薄膜结晶性能最佳.     

衬底温度对直流反应磁控溅射法制备的N掺杂p型ZnO薄膜性能的影响

利用直流反应磁控溅射法(纯金属锌作为靶材,Ar-N2-O2混合气体作为溅射气体)在石英玻璃衬底上制备了N掺杂p型ZnO薄膜.通过XRD、Hall和紫外可见透射谱分别研究了衬底温度对ZnO薄膜结构性能、电学性能和光学性能的影响.XRD结果显示所有制备的薄膜都具有垂直于衬底的c轴择优取向,并且随着衬底温度的增加,薄膜的晶体质量得到了提高.Hall测试表明衬底温度对p型ZnO薄膜的电阻率具有较大影响,400℃下生长的p型ZnO薄膜由于具有较高的迁移率(1.32 cm2/Vs)和载流子浓度(5.58×1017cm-3),因此表现出了最小的电阻率(8.44Ω·cm).     

Zn1-x HfxO的电子结构和光学性质的第一性原理计算

基于第一性原理密度泛函理论,计算分析了Zn1-xHfxO(x=0,0.0312,0.0417,0.0625和0.1250)体系的晶格结构、电子结构,Mulliken电荷布居和光学性质.计算结果表明,随着Hf掺杂摩尔百分比的增大,晶体体积膨胀,费米能级进入导带,其附近的导带部分主要由杂质原子Hf的5d态贡献,Hf-O离子键成分作用凸显,故Hf的掺杂引入施主能级进而形成n型ZnO材料的可能性较大.且通过比较吸收谱、反射谱和折射谱,发现适量掺入Hf原子可使ZnO体系在高能区的透过率增加,能量损失谱出现红移.这些性质均与实验中Hf掺杂有类似结果,由此可知适量掺杂Hf的ZnO体系有望在制备光电子器件等领域发挥作用.