论文部分内容阅读
氧化锌（ZnO）是一种直接宽带隙半导体材料,室温下禁带宽度为3.37eV,激子舒束缚能为60meV,在短波光器件上有巨大的潜力。同时,ZnO经过渡元素掺杂后可实现室温铁磁性,可作为软磁铁氧体的主要来源之一,广泛的应用于自旋电子器件和高密度非易失性存储器等领域中。因此,近年来,ZnO基的稀磁半导体（DMS）材料逐渐成为人们关注的焦点。对于器件的实用化,稳定的p型掺杂和较高浓度的磁性掺杂是关键点。然而,在ZnO薄膜和纳米线等生长过程中,除了点缺陷(VZn,VO,Zni,Oi等)外还存在着大量的二维缺陷,并且体系电学和磁学特性有显著的影响。本文基于密度泛函的第一性原理计算方法,通过对ZnO-∑7（123?0）孪晶界和螺旋位错中不同位置处VZn、VO等本征点缺陷,以及对孪晶界内VZn-NO-H复合体掺杂和过渡元素Ag、Co掺杂的结构计算,讨论二维缺陷对p型导电和铁磁性产生机理、位错对铁磁性产生机制的影响。1、为修正带隙宽度和Zn-3d电子轨道的位置,主要采用GGA+U方法,根据实验值拟合出最合理的Up和Ud参数值。通过对比纯ZnO晶体、四种ZnO-∑7（123?0）孪晶界、以及位错的电子结构和态密度,发现仅GB7a和位错A的价带顶（VBM）附近存在一个尖锐的杂质能级峰,有利于点缺陷和杂质原子的聚集。GB7a和沿[0001]的位错A结构中三配位处存在的氧氧（O-O）耦合键导致O原子之间电子局域化增强,O原子对其相邻Zn原子的键能变弱。而这种局域化的电子,更易和杂质原子成键且更利于点缺陷的形成。因此,我们进一步研究了这个O-O耦合键结构对体系的影响机制。2、对ZnO-∑7孪晶界中不同位置处VZn、NO、VZn-NO、VZn-NO-H复合体以及AgZn的电子结构和形成能进行计算。计算结果表明:N掺杂后会和VZn、Hi等点缺陷结合,进而形成VZn-NO-H复合体;并且这些缺陷更容易出现在晶格应变集中区。对比另三种孪晶界,VZn-NO-H仅位于GB7a中的三配位处时具有较低的离化能,从而表现受主特征。同样,AgZn的引入GB7a中的三配处后会导致较低的离化能,进而呈现p型导电。3、通过计算渡元素Co掺杂ZnO-∑7孪晶界体系的形成能,发现孪晶界会导致CoZn的形成能降低且最稳定的位置在低配位处。态密度和电荷密度分布的分析结果显示,Co原子替位GB7a中三配位位置后形成的Co-Co耦合结构会导致宏观铁磁性的形成。这表明,孪晶界能够促进磁性掺杂体系铁磁性的产生。同时,讨论了VZn引入孪晶界和位错的情况,发现引入的VZn最终会稳定在二维缺陷的低配位位置,并且VZn的存在能够诱使其相邻氧原子形成铁磁态,进而产生d0铁磁性。因此,通过对二维缺陷种类和数量的调控,也许可以成为一种生产ZnO基DMS的手段。