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稀土掺杂GaN的第一性原理研究

作　者: 李倩倩
导　师: 郝秋艳; 李英
学　校: 河北工业大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: GaN 密度泛函理论 稀土掺杂 电子结构 光学性质
分类号: TN304
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


宽禁带半导体以其优异的化学和物理性质成为当前研究的热点，GaN拥有优良的光电性质以及宽的直接带隙，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料。由于稀土独特的光学和磁学性能，稀土掺杂GaN的光学性质和磁学性质的研究引起了人们广泛的兴趣。本论文利用第一性原理方法研究了稀土掺杂GaN的电子结构和光、磁学性质，具体内容如下：基于密度泛函理论（DFT）的平面波赝势方法计算了理想GaN以及分别含VN和VGa的GaN的电子结构和光学性质，计算结果表明，VN是一种施主缺陷，在p型GaN中有较低的形成能，并且在能带中引入由N-2p态和Ga-4p态杂化而成的浅施主能级；VGa是一种受主缺陷，在n型GaN中有较低的形成能，在能带中引入了三条来自N-2p态的受主能级，并且N-2p态产生自旋极化，磁矩为3。VN和VGa都使GaN的带隙增大，并且对GaN的光学性质产生一定程度的影响。基于密度泛函理论的PBE+U方法我们计算了掺杂浓度为6.25%的Ce和Pr分别掺杂GaN的电子结构和光学性质。计算结果表明，Ce掺杂后在禁带中引入来自于Ce-4f态的局域能级；Pr掺杂后在价带顶引入了主要由Pr-4f态贡献的局域能级；掺杂后，GaN:Ce和GaN:Pr体系都变成间接带隙半导体并且带隙变窄，而且产生磁距，磁矩分别为1和2。掺杂后光学性质发生变化，GaN:Ce在低能区出现了新的介电峰和吸收峰，该峰来自带隙中的杂质能级到导带底的跃迁；GaN:Pr由于带隙变窄使第一个介电峰和光吸收边发生了红移。我们进一步计算了CeGa与附近的VN和VGa组成的复合缺陷对GaN:Ce体系的电子结构和光学性能的影响。当GaN:Ce体系中有空位存在时，会在掺杂体系中引入了浅能级，VN空位引入了施主能级，并且使总磁矩减小到0.67；而VGa引入了受主能级，总磁矩增大到2，光学性质在一定程度上发生变化，与GaN:Ce相比，介电函数和光吸收系数的峰值发生轻微偏移。最后，我们计算了Gd掺杂GaN的磁性性质。我们发现，在GaN中Gd原子之间的耦合是反铁磁性的，当有足够的空穴载流子存在时能够稳定铁磁相，Ga空位不是巨大磁矩的来源，间隙N缺陷和间隙O缺陷可能是巨大磁矩的来源。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章 绪论  9-18
  1.1 研究背景  9
  1.2 GaN材料的研究现状  9-11
  1.3 GaN的基本性质  11-12
    1.3.1 GaN的结构特性  11
    1.3.2 GaN的电学特性  11-12
    1.3.3 GaN的光学特性  12
  1.4 稀土掺杂三族氮化物的研究概述  12-17
    1.4.1 稀土元素的基本性质  12-13
    1.4.2 稀土掺杂GaN的途径  13
    1.4.3 稀土掺杂GaN的光学性质  13-16
    1.4.4 稀土掺杂GaN的磁学性质  16-17
  1.5 本论文的研究内容和意义  17-18
第二章 密度泛函理论及计算软件简介  18-27
  2.1 多体问题  18-19
  2.2 绝热近似  19
  2.3 密度泛函理论  19-23
    2.3.1 Hohenberg-Kohn定理  19-20
    2.3.2 Kohn-Sham方程  20-21
    2.3.3 交换关联泛函  21-23
    2.3.4 自洽计算  23
  2.4 投影扩充波（PAW）方法  23-24
  2.5 强关联体系  24-26
  2.6 VASP软件简介  26-27
    2.6.1 VASP的主要计算功能  26
    2.6.2 VASP的主要输入和输出文件  26-27
第三章 GaN及其空位的电子结构和光学性质研究  27-37
  3.1 引言  27
  3.2 模型和方法  27-29
  3.3 计算结果与分析  29-36
    3.3.1 晶体结构  29-30
    3.3.2 形成能计算  30-31
    3.3.3 电子结构  31-33
    3.3.4 光学性质  33-36
  3.4 小结  36-37
第四章 稀土Ce、Pr掺杂GaN的电子结构和光学性质研究  37-50
  4.1 引言  37
  4.2 Ce、Pr孤立原子掺杂GaN的电子结构和光学性能计算  37-44
    4.2.1 模型和方法  37-38
    4.2.2 计算结果与分析  38-44
  4.3 Ce缺陷复合物对GaN的电子结构和光学性能的影响  44-49
    4.3.1 计算模型  44-45
    4.3.2 电子结构  45-47
    4.3.3 光学性质  47-49
  4.4 小结  49-50
第五章 稀土元素Gd掺杂GaN的磁学性质  50-56
  5.1 引言  50
  5.2 计算模型  50-51
  5.3 计算结果与分析  51-55
    5.3.1 电子结构  51-53
    5.3.2 间隙N和间隙O  53-55
  5.4 小结  55-56
第六章 结论  56-58
参考文献  58-63
攻读硕士期间发表的论文  63-64
致谢  64

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 一般性问题 > 材料
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