氮掺杂p型ZnO电学性质稳定性研究

来源 :中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:pandanemo
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本文针对当前ZnO研究工作中高质量的p型样品难以实现这一关键问题,以氮掺杂的p型ZnO为例,通过基于密度泛函理论的第一性原理计算,从理论上寻找导致p型ZnO样品电学性质不稳定的根本原因,并提出了几种掺杂方法,为实验上制备稳定的p型ZnO薄膜材料提供理论依据。具体研究内容如下:   (1)V族受主在ZnO中的能级位置一直是一个具有争议性的问题。本文用4096个原子的超大原胞对受主离化能做了大规模的LDA计算,给出了相对确切的受主能级位置,得出受主No在ZnO中是深能级受主并且可能是导致p型样品电学性质不稳定的主要原因之一的结论;   (2)结合“掺杂极限法则”,并通过分析ZnO的分波态密度,我们得出导致在ZnO中受主杂质离化能高的根本原因是ZnO的价带顶主要由O的2p轨道构成。利用“补偿共掺杂的”方法,通过分析掺杂元素的原子轨道能级,我们选择Zr和C作为共掺杂的施-受主元素,No在ZnO∶(Zr+C)体系中的离化能为0.129 eV;   (3)从理论上研究了将Mg合金到ZnO对氮受主在ZnO中形成能和离化能的影响。结论如下:Mg的引入可以降低氧元素的化学势,从而提高N受主在ZnO中的固溶度;把Mg合金到ZnO中主要是降低了合金的价带顶位置从而使得No受主的电离能增加,与实验测量结果一致;   (4)从理论上研究了通过本征点缺陷和外加掺杂物实现ZnS“双极性掺杂”的可行性,并与ZnO的掺杂情况做了比较。我们发现在ZnS中也同样存在“掺杂非对称”的现象,这与“掺杂极限法则”是一致的。
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