In、Sb掺杂SnO的第一性原理研究

来源 :华南师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yjun198
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近年来,光伏和光电产业的发展突飞猛进,金属氧化物半导体材料也受到人们的广泛关注。氧化亚锡(SnO)作为一种宽禁带金属氧化物半导体材料,其带隙达到2.5 eV以上,已有研究表明SnO能通过掺杂获得n型或p型导电性并能够应用在薄膜晶体管等光电器件上。另一方面,随着计算机性能的不断提高,材料的理论模拟计算也得到了长足的进步,使得计算机模拟设计新型材料的精确度越来越高。所以,本文将借助计算机模拟技术,选取本征、Sb掺杂和In掺杂SnO作为研究对象,采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波赝势方法,利用Materials Studio进行建模,通过CASTEP模块对SnO及其掺杂化合物的电子结构和光学性质进行研究,为将来的实验和应用提供理论指导。  主要内容如下:  1.采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,建立了本征和锡空位SnO的超晶胞模型,首先对模型进行几何结构优化,之后对SnO的能带结构、态密度(DOS)、缺陷形成能、电荷分布和光学性质进行了计算。从理论上验证了SnO是一种间接带隙半导体。本文计算所得的能隙为1.243 eV,小于实验值2.7 eV,这是由于密度泛函理论把属于激发态的能隙当作基态来计算,同时对于能隙的低估也是Materials Studio软件中的交换关联能泛函LDA存在的固有缺陷之一。态密度计算可以看出,Sn的s轨道和O的p轨道作电子态的主要贡献,而且锡空位(Vsn)的缺陷形成能也较低,容易在材料生长过程中形成。锡空位缺陷使得价带和导带上移,导电性显示p型,也使得禁带宽度有所减少。  2.与本征SnO相比,Sb的掺入使得材料晶格有所缩小,禁带宽度也减少至1.072 eV。从态密度图看出,Sb的掺入导致SnO的能带结构发生变化,导带底明显下移,带隙减少0.171 eV。在Vsn-Sb共掺的情况下,-10 eV的能带强度有所减弱,费米能级也向价带方向略为靠近。造成这样的原因可能是Sb3+替代Sn2+后多余的一个电子被Vsn2-捕获形成(Sb-Vsn)-,受主性质比Vsn2-弱。可知当Sb掺杂浓度大于本征VSn浓度时,掺杂SnO将表现为n型半导体。在380 nm以上的波长范围里,锡空位缺陷的引入却使材料吸收光谱的数值上升,材料对光的吸收加大。  3.与本征SnO相比,In的掺入使得材料晶格有所膨胀,禁带宽度也减少至1.063 eV。In的掺入导致SnO的能带结构发生变化,价带带底明显上移,带隙减少0.180 eV,费米能级明显靠近价带,明显呈p型性质。In掺杂提高了材料对580 nm的范围内的光的吸收。
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