掺杂对CdTe与ZnO体系结构与光学性质的密度泛函理论计算

• 作 者: 王龙
• 机 构: 西南交通大学
• 出 处: 西南交通大学
• 发表日期: 2010年期
• 关键词: 晶体光学 电子能带 能带结构 密度泛函理论

本研究采用基于第一性原理的密度泛函理论，利用广义梯度近似和超软赝势方法，计算研究了CdTe以及Sb掺杂的CdSbxTe1-x，以及ZnO的系列掺杂体系MxZnyOz(=Na、Li、N、Mg、Na-Mg、Li-Mg、Li-N)的晶体结构，电子能带，态密度和光学性质。分析讨论了晶体结构，电子能带，态密度和光学性质与掺杂元素种类和掺杂量之间的关系。　　
计算得到CdSbxTe1-x的能带结构、态密度、吸收光谱、价带与空带之间的能隙Eg、价带顶(VBM)和导带底(CBM)等随Sb元素含量x的变化关系。结果表明，由于导带的底部(CBM)升高，掺入Sb原子使系统的空穴浓度增加，原子间相互作用减弱，结合能减少，带隙Eg增大。x≤0.125时，系统吸收的太阳能随x增加而增大；0.125＜x＜0.25时，对太阳能的吸收减弱，而x＞0.25时系统对太阳能的吸收随x增加而增强。指出利用基底表面对晶格的牵引作用，制作Sb原子较大比例取代CdTe闪锌矿晶相Te原子的薄膜，对提高光电材料的性能是有益的。　　
分析讨论了影响ZnO基p型电导的因素，并模拟计算了不同掺杂体系对太阳能的吸收光谱。结果表明：(1)Na原子作为p型掺杂剂取代Zn原子时，与价带相互作用成键，与导带成反键，使带隙增宽；掺杂系统电子数减少导致价带能量和空穴数增大，其中自旋向上能带增加的空穴多于自旋向下能带。Mg-Na共掺时，Mg原子的主要作用是其3p轨道使导带能量增高并导致体系带隙增大。(2)N原子的掺入使ZnO的简并能级分裂，同时引起其它原子费米面附近空穴数增加，形成深受主掺杂类型。Mg-N共掺使ZnO的能级比单掺N原子时简并分裂的程度更强，其中Mg原子的掺入使系统的受主能级能量更低，有利于低阻p型半导体的形成。(3)模拟计算表明，掺杂体系吸收太阳能的能力依次为：Zn0.75Mg0.125Li0.125O＞Zn0.875Li0.125O＞Zn0.75Mg0.125Na0.125O＞Zn0.875Na0.125O＞Zn0.875Mg0.125N0.125O0.875＞ZnN0.125O0.875＞Zn0.875Li0.125N0.125O0.875。