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稀土元素(Ce, Pr)掺杂GaN的电子结构和光学性质的理论研究

李倩倩 郝秋艳 李英 刘国栋

稀土元素(Ce, Pr)掺杂GaN的电子结构和光学性质的理论研究

李倩倩, 郝秋艳, 李英, 刘国栋
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  • 采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法计算了稀土元素 Ce, Pr 掺杂GaN的晶格参数、能带、电子态密度和光学性质, 使用LSDA+U的方法处理具有强关联作用的稀土4f态, 并分析比较计算结果. 计算表明: 掺入 Ce和Pr后的体系相比未掺杂的GaN晶格常数增大, 带隙变窄, 并分别在禁带中和价带顶附近引入了局域的杂质能级, 该能级主要由Ce 和Pr的4f电子提供; 掺杂后都发生了磁有序化并产生磁矩; 最后定性分析了掺杂前后介电函数和光吸收系数的变化, 掺 Ce的体系在介电函数和吸收系数的低能区出现了峰值, 该峰的出现和禁带中的杂质能级到导带底的跃迁有关, 而掺Pr的体系由于带隙变窄使介电峰和吸收边发生红移.
    • 基金项目: 河北省自然科学基金 (批准号: A2010000013)、天津市自然科学基金(批准号: 10JCYBJC03000) 和国家自然科学基金 (批准号: 50901027) 资助的课题.
    [1]

    Morkoc H 1994 J. Appl. Phys. 76 1363

    [2]

    Davies S, Huang T S, Gass M H, Papworth A J, Joyce T B, Chalker P R 2004 Appl. Phys. Lett. 84 2556

    [3]

    Wang T X, Li Y, Liu Y M 2011 Phys. Stat. Sol. B 248 1671

    [4]

    Kang B S, Kim S, Ren F, Johnson J W, Therrien R J, Rajagopal P, Roberts J C, Piner E L, Linthicum K J, Chu S N G, Baik K, Gila B P, Abernathy C R, Pearton S J 2004 Appl. Phys. Lett. 85 2962

    [5]

    Dridi Z, Lazreg A, Rozale H, Bouhafs B 2010 Comp. Mater. Sci. 48 743

    [6]

    Jones R 2006 Opt. Mater. 28 718

    [7]

    Sanna S, Schmidt W G, Frauenheim T, Gerstmann U 2009 Phys. Rev. B 80 104120

    [8]

    Chen S, Dierre B, Lee W, Sekiguchi T, Tomita S, Kudo H, Akimoto K 2010 Appl. Phys. Lett. 96 181901

    [9]

    Jiang L J, Wang X L, Xiao H L, Wang Z G, Yang C B, Zhang M L 2011 Appl. Phys. A 104 429

    [10]

    Steckl A J, Heikenfeld J C, Lee D S, Garter M J, Baker C C, Wang Y Q, Jones R 2002 Select. Top. Quantum Electron. 8 749

    [11]

    Favennec P N, L'Haridon H, Salvi M, Moutonnet D, Le Guillou Y 1989 Electron. Lett. 25 718

    [12]

    Aldabergenova S B, Osvet A, Frank G, Strunk H P, Taylor P C, Andreev A A 2002 J. Non-Cryst. Solids 299-302 709

    [13]

    Lorenz K, Alves E, Wahl U, Monteir T, Dalmasso S, Martin R W, O'Donnell K P, Vianden R 2003 Mater. Sci. Eng. B 105 97

    [14]

    Birkhahn R, Garter M, Steckl A J 1999 Appl. Phys. Lett. 74 2161

    [15]

    Sanna S, Hourahine B, Frauenheim Th, Gerstmann U 2008 Phys. Stat. Sol. C 5 2358

    [16]

    Svane A, Christensen N E, Petit L, Szotek Z, Temmerman W M 2006 Phys. Rev. B 74 165204

    [17]

    Filhol J S, Jones R, Shaw M J, Briddon P R 2004 Appl. Phys. Lett. 84 2841

    [18]

    Davies R, Abernathy C R, Pearton S J, Norton D P, Ivill M P, Ren F 2009 Chem. Eng. Commun. 196 1030

    [19]

    Larson P, Lambrecht W R L 2007 Phys. Rev. B 75 045114

    [20]

    Gao G Y, Yao K L, Liu Z L, Li Y L, Li Y C, Liu Q M 2006 Solid State Commun. 138 494

    [21]

    Xiong Z, Luo L, Peng J, Liu G 2009 J. Phys. Chem. Solids 70 1223

    [22]

    Xing H Y, Fan G H, Zhang Y, Zhao D G 2009 Acta Phys. Sin. 58 450 (in Chinese) [邢海英, 范广涵, 章勇, 赵德刚 2009 物理学报 58 450]

    [23]

    Sun J, Wang H T, He J L, TianY J 2005 Phys. Rev. B 71 125132

    [24]

    Ding S F, Fan G H, Li S T, Xiao B 2007 Acta Phys. Sin. 56 4062 (in Chinese) [丁少锋, 范广涵, 李述体, 肖冰2007 物理学报 56 4062]

    [25]

    Yang Y T, Wu J, Cai Y R, Ding R X, Song J X, Shi L C 2008 Acta Phys. Sin. (in Chinese) 57 7151 [杨银堂, 武军, 蔡玉荣, 丁瑞雪, 宋久旭, 石立春 2008 物理学报 57 7151]

    [26]

    Majid A, Iqbal J, Ali A 2011 J. Supercond. Nov. Magn. 24 585

    [27]

    Majid A, Ali A 2009 J. Phys. D: Appl. Phys. 42 045412

    [28]

    Guo J Y, Zheng G, He K H, Chen J Z 2008 Acta Phys. Sin. 57 3740 (in Chinese) [郭建云, 郑广, 何开华, 陈敬中 2008 物理学报 57 3740]

    [29]

    Sheng X C 2003 The Spectrum and Optical Property of Semiconductor (Beijing: Science Press) p76 (in Chinese) [沈学基 2003 半导体光谱和光学性质(第2版) (北京:科学出版社)第76页]

    [30]

    Zhang S, Shi J, Zhang M, Yang M, Li J 2011 J. Phys. D: Appl. Phys. 44 495304

  • [1]

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    [2]

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    [3]

    Wang T X, Li Y, Liu Y M 2011 Phys. Stat. Sol. B 248 1671

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    [5]

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    [6]

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    Sanna S, Schmidt W G, Frauenheim T, Gerstmann U 2009 Phys. Rev. B 80 104120

    [8]

    Chen S, Dierre B, Lee W, Sekiguchi T, Tomita S, Kudo H, Akimoto K 2010 Appl. Phys. Lett. 96 181901

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    Steckl A J, Heikenfeld J C, Lee D S, Garter M J, Baker C C, Wang Y Q, Jones R 2002 Select. Top. Quantum Electron. 8 749

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    [12]

    Aldabergenova S B, Osvet A, Frank G, Strunk H P, Taylor P C, Andreev A A 2002 J. Non-Cryst. Solids 299-302 709

    [13]

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    [15]

    Sanna S, Hourahine B, Frauenheim Th, Gerstmann U 2008 Phys. Stat. Sol. C 5 2358

    [16]

    Svane A, Christensen N E, Petit L, Szotek Z, Temmerman W M 2006 Phys. Rev. B 74 165204

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    [18]

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    [19]

    Larson P, Lambrecht W R L 2007 Phys. Rev. B 75 045114

    [20]

    Gao G Y, Yao K L, Liu Z L, Li Y L, Li Y C, Liu Q M 2006 Solid State Commun. 138 494

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    Xiong Z, Luo L, Peng J, Liu G 2009 J. Phys. Chem. Solids 70 1223

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    Ding S F, Fan G H, Li S T, Xiao B 2007 Acta Phys. Sin. 56 4062 (in Chinese) [丁少锋, 范广涵, 李述体, 肖冰2007 物理学报 56 4062]

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    [28]

    Guo J Y, Zheng G, He K H, Chen J Z 2008 Acta Phys. Sin. 57 3740 (in Chinese) [郭建云, 郑广, 何开华, 陈敬中 2008 物理学报 57 3740]

    [29]

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  • [1] 侯振桃, 李彦如, 刘何燕, 代学芳, 刘国栋, 刘彩池, 李英. Ga空位对GaN:Gd体系磁性影响的第一性原理研究. 物理学报, 2016, 65(12): 127102. doi: 10.7498/aps.65.127102
    [2] 邢海英, 范广涵, 何 苗, 章 勇, 周天明, 赵德刚. Mn掺杂GaN电子结构和光学性质研究. 物理学报, 2008, 57(10): 6513-6519. doi: 10.7498/aps.57.6513
    [3] 郭建云, 陈敬中, 郑 广, 何开华. Al,Mg掺杂GaN电子结构及光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2008, 57(6): 3740-3746. doi: 10.7498/aps.57.3740
    [4] 乔建良, 徐源, 高有堂, 牛军, 常本康. 反射式变掺杂负电子亲和势GaN光电阴极量子效率研究. 物理学报, 2017, 66(6): 067903. doi: 10.7498/aps.66.067903
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    [8] 焦照勇, 杨继飞, 张现周, 马淑红, 郭永亮. 闪锌矿GaN弹性性质、电子结构和光学性质外压力效应的理论研究. 物理学报, 2011, 60(11): 117103. doi: 10.7498/aps.60.117103
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    [11] 梁伟华, 丁学成, 褚立志, 邓泽超, 郭建新, 吴转花, 王英龙. 镍掺杂硅纳米线电子结构和光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2010, 59(11): 8071-8077. doi: 10.7498/aps.59.8071
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    [13] 余志强, 张昌华, 郎建勋. P掺杂硅纳米管电子结构与光学性质的研究. 物理学报, 2014, 63(6): 067102. doi: 10.7498/aps.63.067102
    [14] 程丽, 王德兴, 张杨, 苏丽萍, 陈淑妍, 王晓峰, 孙鹏, 易重桂. Cu,O共掺杂AlN晶体电子结构与光学性质研究. 物理学报, 2018, 67(4): 047101. doi: 10.7498/aps.67.20172096
    [15] 段满益, 周海平, 沈益斌, 陈青云, 丁迎春, 祝文军, 徐 明. 过渡金属与氮共掺杂ZnO电子结构和光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2007, 56(9): 5359-5365. doi: 10.7498/aps.56.5359
    [16] 毕艳军, 郭志友, 孙慧卿, 林 竹, 董玉成. Co和Mn共掺杂ZnO电子结构和光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2008, 57(12): 7800-7805. doi: 10.7498/aps.57.7800
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    [18] 张小超, 赵丽军, 樊彩梅, 梁镇海, 韩培德. 过渡金属(Fe,Co,Ni,Zn)掺杂金红石TiO2的电子结构和光学性质. 物理学报, 2012, 61(7): 077101. doi: 10.7498/aps.61.077101
    [19] 赵佰强, 张耘, 邱晓燕, 王学维. Cu,Fe掺杂LiNbO3晶体电子结构和光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2016, 65(1): 014212. doi: 10.7498/aps.65.014212
    [20] 徐大庆, 赵子涵, 李培咸, 王超, 张岩, 刘树林, 童军. 不同价态Mn掺杂InN电子结构、磁学和光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2018, 67(8): 087501. doi: 10.7498/aps.67.20172504
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出版历程
  • 收稿日期:  2012-06-16
  • 修回日期:  2012-07-31
  • 刊出日期:  2013-01-05

稀土元素(Ce, Pr)掺杂GaN的电子结构和光学性质的理论研究

  • 1. 河北工业大学材料学院, 天津 300130
    基金项目: 

    河北省自然科学基金 (批准号: A2010000013)、天津市自然科学基金(批准号: 10JCYBJC03000) 和国家自然科学基金 (批准号: 50901027) 资助的课题.

摘要: 采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法计算了稀土元素 Ce, Pr 掺杂GaN的晶格参数、能带、电子态密度和光学性质, 使用LSDA+U的方法处理具有强关联作用的稀土4f态, 并分析比较计算结果. 计算表明: 掺入 Ce和Pr后的体系相比未掺杂的GaN晶格常数增大, 带隙变窄, 并分别在禁带中和价带顶附近引入了局域的杂质能级, 该能级主要由Ce 和Pr的4f电子提供; 掺杂后都发生了磁有序化并产生磁矩; 最后定性分析了掺杂前后介电函数和光吸收系数的变化, 掺 Ce的体系在介电函数和吸收系数的低能区出现了峰值, 该峰的出现和禁带中的杂质能级到导带底的跃迁有关, 而掺Pr的体系由于带隙变窄使介电峰和吸收边发生红移.

English Abstract

参考文献 (30)

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