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Ga高掺杂对ZnO的最小光学带隙和吸收带边影响的第一性原理研究

侯清玉 董红英 马文 赵春旺

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Ga高掺杂对ZnO的最小光学带隙和吸收带边影响的第一性原理研究

侯清玉, 董红英, 马文, 赵春旺

First-principle study on the effect of high Ga doping on the optical band gap and the band-edge of optical absorption of ZnO

Hou Qing-Yu, Dong Hong-Ying, Ma Wen, Zhao Chun-Wang
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  • 采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法, 建立了纯的和四种不同Ga掺杂量的ZnO超胞模型, 分别对模型进行了几何结构优化、能带结构分布、态密度分布和吸收光谱的计算. 结果表明, 在本文限定的Ga掺杂量2.08 at%6.25 at%的范围内, 随着Ga掺杂量的增加, 掺杂后的ZnO体系体积变化不是很大, 但是, 掺杂体系ZnO的能量增加, 掺杂体系变得越来越不稳定, 同时, 掺杂体系ZnO的Burstein-Moss 效应越显著, 最小光学带隙变得越宽, 吸收带边越向高能方向移动. 计算结果和实验结果相一致.
    Based on the density functional theory (DFT), and using the first-principles plane-wave ultrasoft pseudopotential method, we set up models for a pure ZnO and four different concentrations of Ga-doped ZnO, and the geomertry optimization for the four modes was carried out. The total density of states (TDOS), the band structures (BS) and absorption spectrum were also calculated. Results show that the range of Ga doping amount is limited to 2.08 at% to 6.25 at% in this paper; when the doping concentration of Ga increases, the volume change of the system is not obvious; however, when is energy increases, the system will be unstable, the Burstein-Moss effect of its optical band gap will increase, and the absorption spectrum will shift to high energy. The results of calculation agree with the experimental data.
    • 基金项目: 国家自然科学基金 (批准号: 51062012, 51062013, 51261017);教育部春晖计划项目、内蒙古自治区高等学校科学研究项目(批准号: NJZZ130099) 和内蒙古自治区自然科学基金 (批准号: 2010BS0604)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 51062012, 51062013, 51261017), the Ministry of Education Spring Sunshine Plan Funding, the CollegeScience Research Projectof Inner Mongolia Autonomous Region (Grant No. NJZZ13099), and the Natural Science Foundation of Inner Mongolia Autonomous Region of China (Grant No. 2010BS0604).
    [1]

    Srikant V, Clarke D R1998 J. App. Phys. 83 5447

    [2]

    Ma Q Z, Ye Z Z, He H P, Zhu L P, Liu W C, Yang Y F, Gong L, Huang J Y, Zhang Y Z, Zhang Y Z, Zhao B H 2008 J. Phys. D: Appl. Phys. 41 055302

    [3]

    Ma Q Z, He H P, Ye Z Z, Zhu L P, Huang J Y, Zhang Y Z, Zhao B H 2008 J. Solid-State Chem. 181 525

    [4]

    Ma Q Z, Ye Z Z, He H P, Zhu L P, Wang J R, Zhao B H 2007 Mater. Lett. 61 2460

    [5]

    Ma Q Z, Ye Z Z, He H P, Wang J R, Zhu L P, Zhao B H 2008 Vacuum. 82 9

    [6]

    Ma Q Z, Ye Z Z, He H P, Wang J R, Zhu L P, Zhao B H 2008 Mater. Char. 59 124

    [7]

    Ma Q Z, Ye Z Z, He H P, Luo Y, Zhu L P, Huang J Y, Zhang Y Z, Zhao B H 2008 Chem. Phys. Lett. 9 529

    [8]

    Zuo C Y, Wen J, Zhu S L, Zhong C 2010 Opt. Mater. 32 595

    [9]

    Xie F W, Yang P, Li P, Zhang L Q 2012Opt. Commun. 285 2660

    [10]

    Cheng X M, Chien C L 2003 J. Appl. Phys. 93 7876

    [11]

    Li P, Deng S H, Zhang L, Li Y B, Zhang X Y, Xu J R 2010 Comp Mater Sci. 50 153

    [12]

    Ma Q Z, Ye Z Z, He H P, Hu S H, Wang J R, Zhu L P, Zhang Y Z, Zhao B H 2007 J. Cryst. Growth 304 64

    [13]

    Rao T P, Kumar M C S 2010 J. Alloys Compd 506 788

    [14]

    Zhao J L, Sun X W, Ryu H, Moon Y B 2011 Opt. Mater 33 768

    [15]

    Clark S J, Segall M D, Pickard C J, Hasnip P J, Probert M I J, Refson K, Payne M C 2005 Z. Kristallogr 220 567

    [16]

    Sorescu M, Diamandescu L, Tarabsanu M D, Teodorescuv V S 2004 J. Mat. Sci. 39 675

    [17]

    Cui X Y, Medvedeva J E, Delley B, Freeman A J, Newman N, Stampfl C 2005 Phys. Rev. Lett. 95 25604

    [18]

    Zhou K 2010 MD. Dissertation (Zhong Qing: College of Physics of Chongqing University, Chongqing, China) 39-44 (in Chinese) [周科 2010 硕士学位论文 (重庆: 重庆大学) 第39–44页]

    [19]

    Su H B, Dai J N, Pu YWang L L, Fang W Q, Jiang F Y 2006 J. Chin. J. Semicond. 27 1221 (in Chinese) [ 苏宏波, 戴江南, 蒲勇, 王立李, 方文卿, 江风益 2006 半导体学报 27 1221]

    [20]

    Goncalve A, SLima S A M, Davolos M R, Antônio S G, Santos C O P 2006 J. Solid State Chem. 179 1330

    [21]

    Schleife A, Fuchs F, Furthmller J 2006 Phys. Rev. B 73 245212

    [22]

    Robertson J, Xiong K, Clark S J 2006 Phys. Status Solidi (b) 243 2054

    [23]

    Hou Q Y, Zhao C W, Jin Y J 2009 Acta Phys. Sin. 58 7136 (in Chinese) [侯清玉, 赵春旺, 金永军 2009 物理学报 58 7136]

    [24]

    Fang R C 2001 JSolid State Spectroscopy (He fei: University of Science and Technology of China Press) p68 (in Chinese) [方容川 2001 固体光谱学 (第二版)(合肥: 中国科学技术出版社) 第68页]

    [25]

    Shen X C 2002 Semiconductor Spectroscopy and Optical Properties (Beijing: Science Press) p140-141 (in Chinese) [沈学础 2002 半导体光谱和光学性质 (第二版) (北京: 科学出版社) 第140–141页]

  • [1]

    Srikant V, Clarke D R1998 J. App. Phys. 83 5447

    [2]

    Ma Q Z, Ye Z Z, He H P, Zhu L P, Liu W C, Yang Y F, Gong L, Huang J Y, Zhang Y Z, Zhang Y Z, Zhao B H 2008 J. Phys. D: Appl. Phys. 41 055302

    [3]

    Ma Q Z, He H P, Ye Z Z, Zhu L P, Huang J Y, Zhang Y Z, Zhao B H 2008 J. Solid-State Chem. 181 525

    [4]

    Ma Q Z, Ye Z Z, He H P, Zhu L P, Wang J R, Zhao B H 2007 Mater. Lett. 61 2460

    [5]

    Ma Q Z, Ye Z Z, He H P, Wang J R, Zhu L P, Zhao B H 2008 Vacuum. 82 9

    [6]

    Ma Q Z, Ye Z Z, He H P, Wang J R, Zhu L P, Zhao B H 2008 Mater. Char. 59 124

    [7]

    Ma Q Z, Ye Z Z, He H P, Luo Y, Zhu L P, Huang J Y, Zhang Y Z, Zhao B H 2008 Chem. Phys. Lett. 9 529

    [8]

    Zuo C Y, Wen J, Zhu S L, Zhong C 2010 Opt. Mater. 32 595

    [9]

    Xie F W, Yang P, Li P, Zhang L Q 2012Opt. Commun. 285 2660

    [10]

    Cheng X M, Chien C L 2003 J. Appl. Phys. 93 7876

    [11]

    Li P, Deng S H, Zhang L, Li Y B, Zhang X Y, Xu J R 2010 Comp Mater Sci. 50 153

    [12]

    Ma Q Z, Ye Z Z, He H P, Hu S H, Wang J R, Zhu L P, Zhang Y Z, Zhao B H 2007 J. Cryst. Growth 304 64

    [13]

    Rao T P, Kumar M C S 2010 J. Alloys Compd 506 788

    [14]

    Zhao J L, Sun X W, Ryu H, Moon Y B 2011 Opt. Mater 33 768

    [15]

    Clark S J, Segall M D, Pickard C J, Hasnip P J, Probert M I J, Refson K, Payne M C 2005 Z. Kristallogr 220 567

    [16]

    Sorescu M, Diamandescu L, Tarabsanu M D, Teodorescuv V S 2004 J. Mat. Sci. 39 675

    [17]

    Cui X Y, Medvedeva J E, Delley B, Freeman A J, Newman N, Stampfl C 2005 Phys. Rev. Lett. 95 25604

    [18]

    Zhou K 2010 MD. Dissertation (Zhong Qing: College of Physics of Chongqing University, Chongqing, China) 39-44 (in Chinese) [周科 2010 硕士学位论文 (重庆: 重庆大学) 第39–44页]

    [19]

    Su H B, Dai J N, Pu YWang L L, Fang W Q, Jiang F Y 2006 J. Chin. J. Semicond. 27 1221 (in Chinese) [ 苏宏波, 戴江南, 蒲勇, 王立李, 方文卿, 江风益 2006 半导体学报 27 1221]

    [20]

    Goncalve A, SLima S A M, Davolos M R, Antônio S G, Santos C O P 2006 J. Solid State Chem. 179 1330

    [21]

    Schleife A, Fuchs F, Furthmller J 2006 Phys. Rev. B 73 245212

    [22]

    Robertson J, Xiong K, Clark S J 2006 Phys. Status Solidi (b) 243 2054

    [23]

    Hou Q Y, Zhao C W, Jin Y J 2009 Acta Phys. Sin. 58 7136 (in Chinese) [侯清玉, 赵春旺, 金永军 2009 物理学报 58 7136]

    [24]

    Fang R C 2001 JSolid State Spectroscopy (He fei: University of Science and Technology of China Press) p68 (in Chinese) [方容川 2001 固体光谱学 (第二版)(合肥: 中国科学技术出版社) 第68页]

    [25]

    Shen X C 2002 Semiconductor Spectroscopy and Optical Properties (Beijing: Science Press) p140-141 (in Chinese) [沈学础 2002 半导体光谱和光学性质 (第二版) (北京: 科学出版社) 第140–141页]

  • [1] 罗娅, 张耘, 梁金铃, 刘林凤. 铜铁镁三掺铌酸锂晶体的第一性原理研究. 物理学报, 2020, 69(5): 054205. doi: 10.7498/aps.69.20191799
    [2] 梁金铃, 张耘, 邱晓燕, 吴圣钰, 罗娅. 铁镁共掺钽酸锂晶体的第一性原理研究. 物理学报, 2019, 68(20): 204205. doi: 10.7498/aps.68.20190575
    [3] 贾晓芳, 侯清玉, 赵春旺. 采用第一性原理研究钼掺杂浓度对ZnO物性的影响. 物理学报, 2017, 66(6): 067401. doi: 10.7498/aps.66.067401
    [4] 张耘, 王学维, 柏红梅. 第一性原理下铟锰共掺铌酸锂晶体的电子结构和吸收光谱. 物理学报, 2017, 66(2): 024208. doi: 10.7498/aps.66.024208
    [5] 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
    [6] 徐晶, 梁家青, 李红萍, 李长生, 刘孝娟, 孟健. Ti掺杂NbSe2电子结构的第一性原理研究. 物理学报, 2015, 64(20): 207101. doi: 10.7498/aps.64.207101
    [7] 侯清玉, 李文材, 赵春旺. In–2N高共掺浓度和择优取向对ZnO最小光学带隙和吸收光谱的影响. 物理学报, 2015, 64(6): 067101. doi: 10.7498/aps.64.067101
    [8] 许镇潮, 侯清玉. GGA+U的方法研究Ag掺杂浓度对ZnO带隙和吸收光谱的影响. 物理学报, 2015, 64(15): 157101. doi: 10.7498/aps.64.157101
    [9] 赵佰强, 张耘, 邱晓燕, 王学维. Fe:Mg:LiNbO3晶体电子结构和吸收光谱的第一性原理研究. 物理学报, 2015, 64(12): 124210. doi: 10.7498/aps.64.124210
    [10] 侯清玉, 吕致远, 赵春旺. V高掺杂量对ZnO(GGA+U)导电性能和吸收光谱影响的研究. 物理学报, 2014, 63(19): 197102. doi: 10.7498/aps.63.197102
    [11] 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
    [12] 毛斐, 侯清玉, 赵春旺, 郭少强. Pr高掺杂浓度对锐钛矿TiO2的带隙和吸收光谱影响的研究. 物理学报, 2014, 63(5): 057103. doi: 10.7498/aps.63.057103
    [13] 徐朝鹏, 王永贞, 张伟, 王倩, 吴国庆. Tl掺杂对InI禁带宽度和吸收边带影响的第一性原理研究. 物理学报, 2014, 63(14): 147102. doi: 10.7498/aps.63.147102
    [14] 侯清玉, 郭少强, 赵春旺. 氧空位浓度对ZnO电子结构和吸收光谱影响的研究. 物理学报, 2014, 63(14): 147101. doi: 10.7498/aps.63.147101
    [15] 吴木生, 徐波, 刘刚, 欧阳楚英. Cr和W掺杂的单层MoS2电子结构的第一性原理研究. 物理学报, 2013, 62(3): 037103. doi: 10.7498/aps.62.037103
    [16] 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
    [17] 李聪, 侯清玉, 张振铎, 张冰. Eu掺杂量对锐钛矿相TiO2电子寿命和吸收光谱影响的第一性原理研究. 物理学报, 2012, 61(7): 077102. doi: 10.7498/aps.61.077102
    [18] 侯清玉, 董红英, 迎春, 马文. Al高掺杂浓度对ZnO禁带和吸收光谱影响的第一性原理研究. 物理学报, 2012, 61(16): 167102. doi: 10.7498/aps.61.167102
    [19] 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
    [20] 黄 丹, 邵元智, 陈弟虎, 郭 进, 黎光旭. 纤锌矿结构Zn1-xMgxO电子结构及吸收光谱的第一性原理研究. 物理学报, 2008, 57(2): 1078-1083. doi: 10.7498/aps.57.1078
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出版历程
  • 收稿日期:  2013-03-07
  • 修回日期:  2013-04-07
  • 刊出日期:  2013-08-05

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