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Al-2N掺杂量对ZnO光电性能的影响

侯清玉 曲灵丰 赵春旺

Al-2N掺杂量对ZnO光电性能的影响

侯清玉, 曲灵丰, 赵春旺
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  • 与本文相近的Al-2N掺杂量的范围内, 对ZnO掺杂体系吸收光谱分布红移和蓝移两种实验结果均有文献报道, 但是, 迄今为止对吸收光谱分布尚未有合理的理论解释. 为了解决该问题, 本文采用基于密度泛函理论的广义梯度近似 平面波超软赝势方法, 用第一性原理构建了两种不同掺杂量的Zn0.98148Al0.01852O0.96296N0.03704和Zn0.96875Al0.03125O0.9375N0.0625超胞模型. 在几何结构优化的基础上, 对模型能带结构分布、态密度分布和吸收光谱分布进行了计算. 计算结果表明, 在本文限定的掺杂量范围内, Al-2N掺杂量越增加, 掺杂体系的体积越减小, 体系总能量越升高, 体系稳定性越下降, 形成能越升高, 掺杂越难; 所有掺杂体系均转化为简并p型化半导体, 掺杂体系最小光学带隙均变窄,吸收光谱均发生红移; 同时发现掺杂量越增加, 掺杂体系最小光学带隙变窄越减弱, 吸收光谱红移越减弱. 研究表明: 要想实现Al-2N共掺在ZnO中最小光学带隙变窄、掺杂体系发生红移现象, 除了限制掺杂量外, 尺度长短也应限制; 其次, Al-2N掺杂量越增加,掺杂体系空穴的有效质量、浓度、 迁移率、电导率越减小,掺杂体系导电性能越减弱. 计算结果与实验结果的变化趋势相符合. 研究表明, Al-2N共掺在ZnO中获得的新型半导体材料可以用作低温端的温差发电功能材料.
      通信作者: 侯清玉, by050119@126.com
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 61366008, 11272142)、教育部春晖计划内蒙古自治区高等学校科学研究项目(批准号: NJZZ13099)资助的课题.
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    Shet S, Ahn K S, Deutsch T, Wang H, Ravindra N, Yan Y, Turner J, Jassim M A 2010 J. Mater. Res. 25 69

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    Mapa M, Thushara K S, Saha B, Chakraborty P, Janet C M, Viswanath R P, Nair C M, Murty K V G K, Gopinath C S 2009 Chem. Mater. 21 2973

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    Pires R G, Dickstein R M, Titcomb S L 1990 Cryogenics 30 106

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    [5] 侯清玉, 董红英, 迎春, 马文. Mn高掺杂浓度对ZnO禁带宽度和吸收光谱影响的第一性原理研究. 物理学报, 2013, 62(3): 037101. doi: 10.7498/aps.62.037101
    [6] 郭少强, 侯清玉, 赵春旺, 毛斐. V高掺杂ZnO最小光学带隙和吸收光谱的第一性原理研究. 物理学报, 2014, 63(10): 107101. doi: 10.7498/aps.63.107101
    [7] 曲灵丰, 侯清玉, 赵春旺. Y掺杂ZnO最小光学带隙和吸收光谱的第一性原理研究. 物理学报, 2016, 65(3): 037103. doi: 10.7498/aps.65.037103
    [8] 侯清玉, 董红英, 马文, 赵春旺. Zn1-xTMxO (TM=Al, Ga, In)导电性能的模拟计算. 物理学报, 2013, 62(15): 157102. doi: 10.7498/aps.62.157102
    [9] 侯清玉, 乌云, 赵春旺. In-2N高共掺位向对ZnO(GGA+U)导电性能影响的研究. 物理学报, 2014, 63(13): 137201. doi: 10.7498/aps.63.137201
    [10] 李聪, 侯清玉, 张振铎, 赵春旺, 张冰. Sm-N共掺杂对锐钛矿相TiO2的电子结构和吸收光谱影响的第一性原理研究. 物理学报, 2012, 61(16): 167103. doi: 10.7498/aps.61.167103
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  • 文章访问数:  440
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  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2015-11-16
  • 修回日期:  2015-12-17
  • 刊出日期:  2016-03-05

Al-2N掺杂量对ZnO光电性能的影响

  • 1. 内蒙古工业大学理学院物理系, 呼和浩特 010051;
  • 2. 上海海事大学文理学院, 上海 201306
  • 通信作者: 侯清玉, by050119@126.com
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号: 61366008, 11272142)、教育部春晖计划内蒙古自治区高等学校科学研究项目(批准号: NJZZ13099)资助的课题.

摘要: 与本文相近的Al-2N掺杂量的范围内, 对ZnO掺杂体系吸收光谱分布红移和蓝移两种实验结果均有文献报道, 但是, 迄今为止对吸收光谱分布尚未有合理的理论解释. 为了解决该问题, 本文采用基于密度泛函理论的广义梯度近似 平面波超软赝势方法, 用第一性原理构建了两种不同掺杂量的Zn0.98148Al0.01852O0.96296N0.03704和Zn0.96875Al0.03125O0.9375N0.0625超胞模型. 在几何结构优化的基础上, 对模型能带结构分布、态密度分布和吸收光谱分布进行了计算. 计算结果表明, 在本文限定的掺杂量范围内, Al-2N掺杂量越增加, 掺杂体系的体积越减小, 体系总能量越升高, 体系稳定性越下降, 形成能越升高, 掺杂越难; 所有掺杂体系均转化为简并p型化半导体, 掺杂体系最小光学带隙均变窄,吸收光谱均发生红移; 同时发现掺杂量越增加, 掺杂体系最小光学带隙变窄越减弱, 吸收光谱红移越减弱. 研究表明: 要想实现Al-2N共掺在ZnO中最小光学带隙变窄、掺杂体系发生红移现象, 除了限制掺杂量外, 尺度长短也应限制; 其次, Al-2N掺杂量越增加,掺杂体系空穴的有效质量、浓度、 迁移率、电导率越减小,掺杂体系导电性能越减弱. 计算结果与实验结果的变化趋势相符合. 研究表明, Al-2N共掺在ZnO中获得的新型半导体材料可以用作低温端的温差发电功能材料.

English Abstract

参考文献 (22)

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