Ag掺杂ZnO的缺陷形成能和电子结构的第一性原理研究

来源 :哈尔滨师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wangkaixin
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氧化锌半导体材料凭借其优异的性能,现已在电子元器件领域和光催化降解有机污染物等领域得到广泛应用。相比其他半导体材料,p型半导体应用更为广泛,技术开发价值更高,因此,如何获得p型ZnO半导体己成为研究的热点方向。近年来,利用第一副族掺杂ZnO制备p型半导体己经取得了一些进展,证实了Ag掺杂ZnO的p型导电性和Ag作为ZnO受主掺杂的潜在应用。然而,在Ag掺杂ZnO中,受主能级的位置仍然存在争议,Ag原子掺杂ZnO位置多样,如取代Zn位、O位或间隙位,并且利用多个Ag原子掺杂ZnO晶体的详细理论计算和分析鲜有报道,其电子性质迄今尚未完善,故从理论上对其进行深入研究具有重要意义。  本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,对构建的不同浓度Ag原子(包括一个、两个和三个Ag原子)掺杂ZnO的10种结构模型的缺陷形成能及电子性质进行了详细计算,并对其微观机理做了细致分析,期望能为实验上制备p型ZnO提供一定的理论依据和参考作用。  对于单个Ag原子掺杂ZnO,本文构建了Agzn、Ago、Agt三种模型,并对这三种模型分析了晶体结构、缺陷形成能、缺陷转变能级、能带结构和电子态密度。研究发现:(1)单个Ag原子掺杂的ZnO晶体c轴和非c轴方向上的键长变长;(2)富氧条件下,Ag原子掺杂ZnO晶体更容易替代Zn原子位置形成浅受主,且不存在自补偿现象;(3)Ag替代Zn原子掺杂可使禁带宽度变窄,费米能级进入价带,故AgZn-1为最好的ZnO受主掺杂源。  对于多个Ag原子掺杂ZnO,本文构建了7种模型,包括2个Ag原子替代晶胞中2个Zn原子的6种结构模型,以及3个Ag原子替代晶胞中3个最近邻的Zn原子的1种结构模型,并且对这7种模型分析了晶体结构、缺陷形成能和缺陷转变能级。研究发现:(1)多个Ag原子替Zn位掺杂较容易产生聚集型缺陷;(2)在富氧条件下费米能级为0eV时,掺杂浓度越低、缺陷电荷态越高,缺陷形成能就越低,缺陷晶体越容易形成;(3)在富锌和富氧环境下多个Ag原子掺杂ZnO晶体都会形成浅受主能级,但富锌条件下缺陷形成能远大于富氧时的形成能,所以多个Ag原子掺杂ZnO晶体仅在富氧条件下会产生P型ZnO半导体。
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