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ZnO材料中的缺陷和掺杂的理论研究

作　者: 胡军
导　师: 潘必才
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: ZnO 密度泛函理论本征缺陷缺陷能级 p型掺杂迁移不完全离化受主能级
分类号: O474
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

ZnO为直接带隙的宽禁带半导体,室温下禁带宽度为3.37 eV;特别的,其激子束缚能高达60 meV。因此,ZnO在室温或更高温度下的紫外发光器件的应用中有极大的前景。但是,这首先要求有高质量的n型和p型ZnO。然而,尽管实验上很容易获得高质量的n型ZnO,但p型ZnO却很难被制备出来。近年来,人们从理论和实验上对如何在ZnO中进行有效的p型掺杂进行了大量的探索,取得了丰硕的成果,同时也提出了很多问题。本论文就ZnO中的本征缺陷性质、受主杂质与H的复合体的性质以及p型ZnO的导电性质进行了深入研究。本论文共分为五章。在第一章,我们总结了近年来关于ZnO的本征缺陷、ZnO中H元素的性质和ZnO中p型掺杂的研究。在第二章,我们介绍了理论计算中广泛使用的密度泛函理论,并且介绍了计算原子最佳迁移路径及其迁移势垒的方法。第三章讨论了ZnO中本征缺陷的电子结构、I族杂质缺陷的电子结构以及几种重要的本征缺陷的光吸收和振动性质。通过B3LYP方法对缺陷能级的准确计算,我们发现空位缺陷(V_O和V_Zn)和八面体填隙缺陷(O_i,o和Zn_i,o)都可能是实验观测到的绿光峰的来源。因此以前的研究仅仅把绿光峰归因于某一种缺陷是不对的。另外,O_i,o和Zn_i,o可能分别对黄光和红光有贡献。对I族杂质缺陷的B3LYP计算表明,实验上在掺Li和Na的ZnO中观测到的发光峰可能来自相关的复合缺陷。在ZnO中掺Ag会导致很多缺陷能级,其中一部分可能对实验观测到的3.17 eV的发光峰有贡献。我们研究了几种最重要的本征缺陷(V_O、H_O和V_Zn)的光吸收和振动性质,找到了每种缺陷的特征光吸收峰和振动模式,这些发现可用于指认这些缺陷。在第四章中,我们研究了ZnO中的几种重要的杂质（N、Li和Cu）与H的复合体的性质。我们首先研究了N_O-H、Li_Zn-H和Cu_Zn-H复合体的形成和离解。通过计算H原子从不同方向到达基态构型的最低能量路径,得到了H原子在迁移过程中所需克服的能量势垒。我们发现,这三种复合体都可以在200 K以下的低温形成,并在室温下稳定存在。N_O-H、Li_Zn-H和Cu_Zn-H复合体的离解所需要的激活能分别为1.25-1.48、1.10-1.35和1.42-1.63 eV,对应的激活温度约分别为480-570、420-520和540-620 K。另外,我们对这些复合体的电子结构、缺陷能级、振动性质以及光学性质进行了研究,深入讨论了H原子在这些复合体中所起的作用。在第五章中,我们对p型掺杂ZnO导电性质的不稳定性和低效率的问题进行了研究。通过分析掺N的ZnO中的几种主要缺陷,我们提出了一种全新的微观模型,很好地解释了光照诱导的N掺杂ZnO导电性质转变的现象。我们发现,H_O（即被V_O捕获的H原子）在这种现象中扮演了重要的角色。由此,我们推测如果能控制V_O的浓度,使其很低,则会避免H_O量存在,从而能增强掺N的ZnO的p型导电性的稳定性。另一方面我们基于对在N掺杂的p型ZnO中观测到的实验现象的分析,提出了受主缺陷不完全离化的观点,成功地解释了相关实验现象。通过分析电子结构和自旋密度在空间上的分布,我们发现非局域的缺陷态波函数是上述现象的物理根源。我们将这一观点应用于掺P和As的ZnO中,也解释了相关实验现象。另外,我们还预测,掺Ag的ZnO中,受主能级也将介于0.1-0.2 eV之间,Ag_Zn为浅受主。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-12
第1章 ZnO材料的研究进展  12-50
  1.1 ZnO的基本性质及其应用前景  12-15
  1.2 ZnO中的本征缺陷性质  15-26
    1.2.1 关于ZnO的光学性质的实验研究  15-17
    1.2.2 关于ZnO的电学性质的实验研究  17-19
    1.2.3 关于ZnO的光学电学性质的理论研究  19-24
    1.2.4 关于ZnO中本征缺陷的热运动研究  24-26
  1.3 H元素在ZnO中的性质  26-30
  1.4 ZnO中的p型掺杂  30-40
    1.4.1 I族元素在ZnO中的p型掺杂  31-34
    1.4.2 V族元素在ZnO中的p型掺杂  34-39
      1.4.2.1 N元素在ZnO中的p型掺杂  34-36
      1.4.2.2 P元素在ZnO中的p型掺杂  36-37
      1.4.2.3 元素As和Sb在ZnO中的p型掺杂  37-39
    1.4.3 ZnO中的共掺研究  39-40
   1.5 本章小结  40-42
  参考文献  42-50
第2章理论研究方法  50-66
  2.1 密度泛函理论  50-59
    2.1.1 Born-Oppenheimer近似(绝热近似)  50-51
    2.1.2 Hartree-Fock近似  51-53
    2.1.3 密度泛函理论  53-59
      2.1.3.1 Tomas-Fermi-Dirac理论  53-54
      2.1.3.2 Hohenberg-Kohn定理  54
      2.1.3.3 Kohn-Sham方程  54-56
      2.1.3.4 交换关联能量泛函  56-58
      2.1.3.5 本论文所采用的基于密度泛函理论的计算软件包  58-59
  2.2 计算原子迁移势垒的方法  59-64
    2.2.1 常规NEB方法  60-61
    2.2.2 改进的CI-NEB方法  61-64
  2.3 本章小结  64-65
  参考文献  65-66
第3章 ZnO中本征缺陷和I族杂质缺陷的性质  66-91
  3.1 本征缺陷的电子结构  66-73
    3.1.1 研究背景  66
    3.1.2 本征缺陷的电子结构  66-73
  3.2 I族杂质缺陷的电子结构  73-78
    3.2.1 研究背景  73-74
    3.2.2 I族杂质缺陷的电子结构  74-78
  3.3 几种本征缺陷的光学和振动性质  78-87
    3.3.1 研究背景  78-79
    3.3.2 计算方法  79-81
    3.3.3 光学性质  81-85
    3.3.4 振动性质  85-87
  3.4 本章小结  87-88
  参考文献  88-91
第4章 ZnO中受主杂质与H的复合体的性质  91-110
  4.1 研究背景  91-92
  4.2 ZnO中N-H复合体的性质  92-97
  4.3 ZnO中Li-H复合体的性质  97-101
  4.4 ZnO中Cu-H复合体的性质  101-107
  4.5 本章小结  107-108
  参考文献  108-110
第5章 p型掺杂ZnO导电性质的不稳定性和低效率的研究  110-130
  5.1 光照诱导的N掺杂ZnO导电性质转变的微观机制  110-117
    5.1.1 研究背景  110-111
    5.1.2 N迁移引起的导电性质转变  111-113
    5.1.3 H迁移引起的导电性质转变  113-116
    5.1.4 小结  116-117
  5.2 V族元素掺杂的p型ZnO中浅受主能级的本质  117-127
    5.2.1 研究背景  117
    5.2.2 N_o的受主能级与超原胞尺寸的关系  117-118
    5.2.3 部分受主缺陷的离化  118-119
    5.2.4 受主缺陷的不完全离化  119-121
    5.2.5 电子结构分析  121-124
    5.2.6 不完全离化观点在其他体系中的应用  124-125
    5.2.7 小结  125-127
  参考文献  127-130
攻读学位期间发表的学术论文与取得的研究成果  130-131
致谢  131

ZnO材料中的缺陷和掺杂的理论研究

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