网络技术-网络基础-掺杂ZnO稳定性和电子结构的第一性原理研究.pdf

在本文的研究中，作者主要探讨了ZnO（氧化锌）这一宽带半导体材料的掺杂稳定性和电子结构，这是网络技术领域尤其是网络基础中的一个重要课题。ZnO因其3.37eV的禁带宽度和60meV的激子束缚能，在短波光电器件应用中具有巨大潜力。实现ZnO基结型器件的关键在于P型掺杂和能带调控，而这正是本研究的重点。 作者采用基于密度泛函的第一性原理方法研究了Cd、Be和Mg掺杂对ZnO能带工程的影响。研究发现，无论是否掺杂，ZnO的价带顶始终由O的2p轨道占据，而导带顶由Cd的5s和Zn的4s杂化轨道控制。掺杂导致的带隙宽度变窄主要由导带底位置下降和价带顶位置上升造成，进而影响荧光光谱。此外，Cd掺杂还会使晶胞膨胀，对带隙减小贡献约20%至30%，并且可能促进Cdzn-Vo复合体的形成，但不一定是n型载流子的来源。更复杂的复合体如ZndCdzQVo和Zw3Cdzn・3Vo可能与n型载流子的产生有关。 对于Be和Mg掺杂的ZnO，由于这两种元素没有d电子，它们的掺入会减弱pV排斥，使得价带顶下降，同时提升导带底，导致带隙拓宽。Be掺杂引起的合金压应变也对带隙拓宽有贡献，而Mg掺杂由于与Zn的离子半径差异较小，其掺杂稳定性更高。 接着，Cu和Ag掺杂的ZnO研究结果显示，它们形成的合金稳定性较低，且Cu和Ag属于受主掺杂，其杂质能级位于价带顶附近，高掺杂浓度下Cu-3d和Ag-4d电子的杂质能级展宽，与O的2p电子占据的价带顶相连，导致ZnO带隙减小。带隙的变化主要发生在杂质能带与价带顶相连之后，此时Cu-4s和Ag-5s电子对导带底的影响显著。 对于P型掺杂，Li和N的共掺杂研究表明，在不同条件下，Lizn（Li替代Zn）或LirLizn-No复合体可能是产生P型导电性的原因。而Be和N的共掺杂则发现，4Bezn-No和Bs3No可能是p型导电性的来源。 作者还对比了WZ结构（六方氮化锌）和HX结构（纤锌矿结构）的电子结构和光学性质，揭示了相变对能带结构和光学属性的影响，如从直接带隙到间接带隙的转变以及带隙宽度的变化。 这项研究深入探讨了多种掺杂对ZnO电子结构和稳定性的影响，为ZnO基光电器件的设计和优化提供了理论基础。这些发现对于开发新型光电子设备，尤其是短波光电器件，具有重要的指导意义。