IVA元素?fù)诫s的ZnO的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)
基于密度泛函理論的總體能量平面波模守恒贗勢(shì)方法,對(duì)摻雜Si、Ge、Sn的ZnO的電導(dǎo)率和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了理論研究。結(jié)果表明,摻雜后晶格常數(shù)隨著雜質(zhì)原子序數(shù)的增大而增大。IVA族元素對(duì)Zn的替代可以提高ZnO的載流子濃度和電導(dǎo)率。ZnO∶Si的載流子濃度最大,ZnO∶Sn的電導(dǎo)率最大。IVA族元素對(duì)Zn的替代使得ZnO的吸收和反射都降低。此外,摻Sn的ZnO由于在可見(jiàn)光區(qū)吸收小和反射小,更適合用于制備高質(zhì)量的透明導(dǎo)電氧化物。理論計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。
關(guān)鍵詞： ZnO;電導(dǎo)率;光學(xué)性質(zhì);透明導(dǎo)電氧化物
ZnO 是一種直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料, 室溫下禁帶寬度為337 eV, 激子束縛能為60 meV ，是典型的n 型極性半導(dǎo)體, 穩(wěn)定相是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。它是一種多功能材料, 在紅外器件、傳感器、光電器件等許多方面都有很大的應(yīng)用前景。由于ZnO在可見(jiàn)光區(qū)具有很高的透過(guò)率, 所以可以用于制作透明導(dǎo)電氧化物(TCO) 。目前研究最多的是摻雜IIIA族元素Al、Ga、In 的ZnO。這些主要是通過(guò)提高載流子的濃度來(lái)降低電阻率。王三坡等和李喜峰等 制備的ZnOMo 和In2O3: Mo 薄膜載流子濃度較低, 但他們通過(guò)增大載流子的遷移率也降低了薄膜的電阻率。
對(duì)于IVA 族元素來(lái)說(shuō), Si、Ge、Sn 為間接帶隙半導(dǎo)體, 并且間接帶隙和直接帶隙之間的能量差很小,導(dǎo)致帶隙周圍的電子結(jié)構(gòu)很容易改變。同時(shí)由于Si、Ge、Sn 外圍有4 個(gè)電子, 比IIIA 族元素外圍的電子數(shù)多, 摻雜后有望獲得更高的電子載流子濃度和更高的電導(dǎo)率, 而且在可見(jiàn)光范圍內(nèi)透過(guò)率很大, 所以可作為高質(zhì)量的透明導(dǎo)電氧化物。
本文用Material Studio5. 5 中的CASTEP 模塊對(duì)Si、Ge、Sn 摻雜的ZnO 的電導(dǎo)率和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了比較, 得出了ZnO叜渀 更適合作透明導(dǎo)電氧化物。并用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)照, 驗(yàn)證了理論計(jì)算的正確性。
本文基于密度泛函理論對(duì)摻Si、Ge、Sn 的ZnO的電導(dǎo)率和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了比較。替位摻雜后由于雜質(zhì)離子半徑逐漸增大, 所以晶格常數(shù)逐漸增大。替位摻雜后的自由載流子的濃度增加了, 而且比摻IIIA 族元素得到的自由載流子濃度高。與純ZnO 相比, ZnAO( A= Si、Ge、Sn) 的介電函數(shù)吸收峰數(shù)目減少了, 吸收減弱, 而且最強(qiáng)的吸收峰均紅移至6.0 eV附近。摻雜后的反射率降低了, 反射最大值向低能端移動(dòng)。由于摻Sn 的ZnO 電導(dǎo)率最大, 在可見(jiàn)光區(qū)的吸收最小, 反射也很小, 電導(dǎo)率最大, 所以相比之下ZnO-Sn 更適合用來(lái)制備高質(zhì)量的透明導(dǎo)電氧化物。用實(shí)驗(yàn)對(duì)計(jì)算得到的結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證, 理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。
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