硼-磷共摻雜氧化鋅的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的第一性原理計(jì)算

1、硼-磷共摻雜氧化鋅的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的第一性原理計(jì)算關(guān)鍵字：第一性原理計(jì)算，（B,P）共摻雜，電子結(jié)構(gòu)，光電特性緒論 這篇文章運(yùn)用基于密度函數(shù)理論的第一性原理介紹了B-P摻雜ZnO體系的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。在（B，P）共摻雜ZnO體系，摻雜喜歡在相同的（001）晶面的兩個(gè)相鄰點(diǎn)中形成結(jié)合能為-1.92 eV的BZnPO復(fù)合結(jié)構(gòu)，價(jià)帶最高位置上上會出現(xiàn)一些空位。隨著磷濃度的增加，P 3p越來越離散。計(jì)算出的光學(xué)特性表明，在能量較低的區(qū)域出現(xiàn)顯著的光學(xué)躍遷，這些峰位和強(qiáng)度和P的濃度相關(guān)，這可以歸因于P 3p和Zn 4s態(tài)之間的電子躍遷。此外，還討論了（B，P）共摻雜ZnO系統(tǒng)的吸收系數(shù)和其他光學(xué)

2、常數(shù)，如反射率，折射率，和損失函數(shù)。1簡介 由于其具有較寬的直接帶隙和較高的激子束縛能，氧化鋅在電子設(shè)備的光學(xué)應(yīng)用中具有很大的潛力。此外，他可以通過摻雜來調(diào)整帶隙。隨著生長，氧化鋅作為n型半導(dǎo)體，并且它很難以生產(chǎn)成p型氧化鋅，實(shí)現(xiàn)氧化鋅為基礎(chǔ)的光電器件是必不可少的。總的來說，摻雜破壞了局部對稱性，并且基體和摻雜劑之間的化學(xué)錯(cuò)配可能會導(dǎo)致在帶隙產(chǎn)生較深的缺陷。在減少這些影響方面已經(jīng)取得了顯著的成績。彥紅學(xué)等人提出了一種使用一個(gè)供體和一個(gè)受體使其形成復(fù)雜摻雜完全占領(lǐng)雜質(zhì)帶價(jià)帶上方的方法。隨著進(jìn)一步的摻雜，受體將復(fù)雜的結(jié)合并且有效充分的占領(lǐng)雜質(zhì)帶。此外，受-供體對的形成也是缺陷更加穩(wěn)定。一些研究已經(jīng)

3、做了關(guān)于氧化鋅中共摻雜方法的報(bào)道，主要集中在氮受體。P也被認(rèn)為是一個(gè)合適的摻雜。雖然p型導(dǎo)電性可以通過多種方法實(shí)現(xiàn)p型ZnO，但是p型到點(diǎn)的可靠性仍是一個(gè)問題，其電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)我們還沒有完全了解。因此，P和捐助者共摻雜ZnO體系的理論研究是必要的。對共摻雜ZnO系統(tǒng)的光學(xué)性質(zhì)的第一性原理計(jì)算對了解其光學(xué)躍遷機(jī)制有特別大的幫助。 本文中，我們利用基于密度泛函理論（DFT）的第一原理計(jì)算報(bào)告了B和P摻雜ZnO體系理論研究。據(jù)報(bào)道，氧化鋅中的硼原子更傾向于替代鋅原子。隨著對磷原子的進(jìn)一步介紹，我們發(fā)現(xiàn)硼作為捐贈者在鋅晶體結(jié)構(gòu)中進(jìn)行置換，使與硼原子臨近的鋅原子或氧原子被動與硼原子形成復(fù)雜的化合物。

4、探討B(tài)和P在氧化鋅中的摻雜效應(yīng)，需要考慮五種不同的因素。計(jì)算了摻雜ZnO體系的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，將計(jì)算結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及其他理論結(jié)構(gòu)相比較。2計(jì)算模型和方法 所有計(jì)算均采用平面波超軟贗勢CASTEP代碼執(zhí)行。交換相關(guān)勢采用廣義梯度與伯克勢相近的方案。O 2s22p4, Zn 3d104s2, B 2s22p1, 和 P 3s23p3作為價(jià)電子配置被用來描述電子-離子相互作用。電子的波函數(shù)是以一個(gè)截止能量為370 eV的平面波展開，以及Monkhorst-Pack網(wǎng)格與參數(shù)4 4 2用于簡約布里淵區(qū)的采樣。其實(shí)，廣泛的測試也形成了。隨截止能量增加，晶格常數(shù)和總能量沒有明顯的變化，這類似于燕等人

5、的結(jié)果。然后我們把戒指能量固定在379eV，把網(wǎng)絡(luò)k點(diǎn)從442分別增加到444、553以及774，我們發(fā)現(xiàn)總能量的區(qū)別就是在0.01 eV以內(nèi)的準(zhǔn)確率，并且介電函數(shù)的虛部2()和吸收光譜都有一些微小的變化。事實(shí)上，李等人測試了大量的k點(diǎn)，并且發(fā)現(xiàn)在333和222網(wǎng)絡(luò)，總能量的差距準(zhǔn)確到0.02eV以內(nèi)。許多其他的研究表明，4 4 2 k點(diǎn)網(wǎng)格對于我們的計(jì)算是足夠的。ZnO體系包含32個(gè)原子，并且相同的數(shù)據(jù)已被用于其他的報(bào)告?？偰芰繒鄣降陀? 10 5 eV/原子，每個(gè)原子和力收斂到小于0.05 eV /A。然后在優(yōu)化晶格架構(gòu)的基礎(chǔ)上，計(jì)算電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。為了確定兩種摻雜劑是否有力、優(yōu)先地

6、結(jié)合，例如：在自然點(diǎn)和狀態(tài)下的BZn和PO，計(jì)算結(jié)合能的定義為Eb = Etot（BZn-PO ）+ Etot （ZnO）Etot （BZn）Etot （PO），Etot（BZn-PO ），Etot （BZn）和Etot （PO）分別是含缺陷BZn-PO 、BZn 和PO 的總能量。當(dāng)兩者都存在于系統(tǒng)中時(shí)，與負(fù)值的Eb 相對應(yīng)的是一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)或穩(wěn)定結(jié)合摻雜劑對。公式延伸到其他配合物是非常簡單明了的。3結(jié)果與討論3.1 B和P共摻雜ZnO體系的結(jié)構(gòu)特性 純氧化鋅的優(yōu)化晶格常數(shù)是a=3.282 Å，c=5.315 Å，如表一，與ZnO的 JCPDS文件一致。與3.37 eV的實(shí)驗(yàn)

7、帶隙相比，計(jì)算出的0.73eV的帶隙比較小，這是由于DFT著名的內(nèi)在因素。但價(jià)值與其他LDA或DFT-GGA研究一致，將值確定在0.7 0.9 eV以內(nèi)。在氧化鋅中的單硼摻雜，硼離子的半徑非常小(B3 þ , 大約 0.23 Å)，一般認(rèn)為有兩種可能性：（1）B替代Zn（BZn），（2）B存在于間隙部位（Bi）。 根據(jù)參考文獻(xiàn)計(jì)算出缺陷形成能。結(jié)果表明Bi的形成能量比BZn高約2.04eV，這說明硼比較容易存在于鋅里。實(shí)際上，理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，硼原子容易在氧化鋅中替代鋅原子。因此，本文我們主要考慮B對Zn（BZn）的替代。因?yàn)锽3 þ 的半徑比Zn2 þ

8、; 小，0.02Å一和0.10ÅC結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的平均晶格常數(shù)的變化。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后平均晶格常數(shù)變化到a為-0.02Å、c為-0.10Å。這些結(jié)構(gòu)參數(shù)與其他計(jì)算結(jié)果一致。許多研究表明，在氧化鋅體系中，磷原子可以替代鋅或氧原子。因此在B摻雜ZnO晶胞的基礎(chǔ)上測試P占領(lǐng)Zn位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。要考慮兩種不同位置的磷原子，近配位，同一個(gè)晶胞中臨位的磷原子和硼原子被一個(gè)氧原子分開；遠(yuǎn)配位，它們通過O ZnO連接。然而，結(jié)果表明，這些配置會發(fā)生嚴(yán)重的晶格畸變并且在磷原子周圍不匹配。近配位和遠(yuǎn)配位相對于單一缺陷BZn和PZn的結(jié)合能分別大約為0.82eV和0.78eV，這表明這些配

9、置中磷原子對鋅進(jìn)行點(diǎn)置換是不可行的。B3+ 、P3+ 、 P5+ 的半徑比Zn2+ 的小，然而P3- 的半徑比O3- 大得多。因此(BZnPO)缺陷的形成需要（B，P）共摻雜ZnO體系中松弛的結(jié)構(gòu)。根據(jù)閻等人提出的方法，研究了BZN和PO之間的相互作用，發(fā)現(xiàn)摻雜喜歡在相同的（001）晶面的相鄰點(diǎn)產(chǎn)生，如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)被稱為BZnPO,硼和磷對應(yīng)的摻雜濃度為6.25。相對于單一缺陷的BZnPO，結(jié)合能為1.92 eV。其結(jié)構(gòu)位錯(cuò)的能量約為1.00 eV。我們把精力放在BZnPO更加穩(wěn)定狀態(tài)的進(jìn)一步計(jì)算上。隨著磷濃度的增加，其他數(shù)據(jù)見表一b，c和d考慮了摻雜水平為6.25的硼和12.5、18.

10、75、25%的磷。這些氧化鋅中松弛的配置晶格常數(shù)和結(jié)合能在表1中列出。Eb的負(fù)的值對應(yīng)于穩(wěn)態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)結(jié)合的摻雜對。我們發(fā)現(xiàn)了(BZn3PO)復(fù)合結(jié)構(gòu)的結(jié)合能為1.29 eV，比(BZn2PO)復(fù)合結(jié)構(gòu)低了0.15 eV。結(jié)果是非常相似田和趙的計(jì)算，其中P在O原子中最近的三個(gè)平面中替代Zn 和3N的傾向的化學(xué)計(jì)量比P3N的復(fù)數(shù)形式的（P，N）共摻雜ZnO體系。隨著磷濃度的進(jìn)一步增加，（BZN4PO）復(fù)合結(jié)構(gòu)的結(jié)合能相對于 (BZn3PO) 復(fù)合結(jié)構(gòu) and PO增加到0.75eV，表示他們之間的相互吸引力較弱的。所有這些配合物都會引起周圍的能量狀態(tài)費(fèi)米能級達(dá)到，這可能會影響氧化鋅的物理性質(zhì)。3.

11、2B和P共摻雜ZnO體系的電子狀態(tài)為了研究硼、磷對電子性質(zhì)的摻雜效應(yīng)，計(jì)算了不同模型的態(tài)密度。圖2給出了純ZnO的分態(tài)密度（PDOS）。從圖中，可以看到，價(jià)帶主要由O的2P、2S（這里就不介紹了）和Zn 的3d態(tài)組成。在上面的價(jià)帶，O的2p態(tài)主要是在4和0電子伏特之間發(fā)現(xiàn)，而Zn 3d態(tài)則上升到最高價(jià)態(tài)之下的4-6eV之間。導(dǎo)帶由Zn的4s態(tài)和O的2p態(tài)為主。結(jié)果與以前的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果是非常一致的。加入硼和磷，一些雜質(zhì)能量帶出現(xiàn)在最高能帶以上，如表三所示,這是P的濃度依賴性。磷摻雜最大程度的提高磷態(tài)。先前在相似的方法中也得到過相似的結(jié)果。此外，我們還注意到，磷濃度的增加促進(jìn)鋅的三維狀態(tài)的

12、本地化，這表明，磷可能會和d狀態(tài)發(fā)生的相互作用。在圖3的d和e，共摻雜ZnO誘導(dǎo)帶隙中明顯的中間狀態(tài)。在這種情況下，可見光的光子不能激發(fā)電子從價(jià)帶到導(dǎo)帶而被傳輸通過它，但是他們有足夠的能量激發(fā)電子從中間態(tài)到導(dǎo)帶，或從這些中間態(tài)的孔到價(jià)帶，這表明它具有潛在的應(yīng)用在透明導(dǎo)電領(lǐng)域。眾所周知，ZnO的帶邊發(fā)射是由在導(dǎo)帶底的價(jià)帶和Zn 4s態(tài)至上O 2p態(tài)之間的光學(xué)躍遷造成的。磷原子的摻入可以誘導(dǎo)一些周圍的能量帶至費(fèi)米能級。因此，有必要專門調(diào)查磷摻雜劑的電子態(tài)。圖4給出了P 3p的共摻雜ZnO體系。圖4（a）表示，P 3p態(tài)從1.5到0.5 eV的能量范圍內(nèi)的費(fèi)米能級，會出現(xiàn)一些空位。這是關(guān)等人的一致估

13、計(jì)。隨著磷濃度的增加P 3p越來越DELO均有。雜質(zhì)能帶變寬，并且費(fèi)米能級以上的能態(tài)的藍(lán)移也可以觀察到。然而在 BZnPo幾乎看不到這些狀態(tài)，這表明增加受體之間的斥力可以解釋這一現(xiàn)象。有非定域的載體附近的價(jià)帶頂和晶體導(dǎo)電性提高。同時(shí)，一些能量在費(fèi)米能級引入Zn 4s態(tài)。在這些情況下，電子從占領(lǐng)帶到空位的躍遷會在照射下發(fā)生，這可能引起在可見光區(qū)的吸收強(qiáng)度。在Cr摻雜氧化鋅里也得到了類似的結(jié)果。（B，P）共摻雜ZnO體系光學(xué)性質(zhì)的所有變化引起了我們極大的興趣。3.3光學(xué)性質(zhì)從量子力學(xué)的角度來看，系統(tǒng)中一個(gè)電子的基態(tài)電子態(tài)的聲子的相互作用有時(shí)間依賴性擾動。轉(zhuǎn)換間的占用和空置狀態(tài)是由光子的吸收或發(fā)射引

14、起的?？梢哉J(rèn)為激發(fā)的光譜作為一個(gè)共同的狀態(tài)之間的傳導(dǎo)和價(jià)帶。介電函數(shù)的虛部2（）可以從占用和未占用的波函數(shù)的實(shí)部和1之間的動量矩陣元素的計(jì)算。真正的部分1（）的介電函數(shù)的虛部可以從2評價(jià)（）由著名的克萊默K-K關(guān)系計(jì)算。然后其他的光譜，如吸收系數(shù)（），反射率R（），折射率n（），能量損失和L（）可以通過1（）和2（）本文接下來的部分，將通過相應(yīng)的偏振垂直于c軸矢量討論B和P共摻雜ZnO體系的光學(xué)性質(zhì)。由于計(jì)算純ZnO帶隙（0.73 eV）小于實(shí)驗(yàn)值（3.37 eV），以適應(yīng)實(shí)驗(yàn)的價(jià)值，以2.64 EV近似值用于計(jì)算的介電函數(shù)和吸收邊。這種方法已被有效地用于各種系統(tǒng)。圖5展示2介電函數(shù)的虛部（）

15、對氧化鋅系統(tǒng)的不同配置。純氧化鋅，有三個(gè)主峰位于4.38，9.10和12.90 eV，這通道對應(yīng)三個(gè)固有的等離子體頻率。在約4.38 eV的峰來源于電子從O 2p態(tài)的上價(jià)帶到Zn 4s態(tài)最低導(dǎo)帶的躍遷，其價(jià)值和帶隙相差不遠(yuǎn)（約3.37eV）?？紤]到剪切近似值，約9.10 eV的峰值可能是由于價(jià)帶中Zn的3d態(tài)到O的2p態(tài)之間的躍遷造成，這是與圖3中的DOS的結(jié)果一致。在12.90 eV的峰值主要來源于Zn 的3d態(tài)到O的 2S態(tài)之間的躍遷（沒有繪制）。這些峰與以前的估計(jì)非常接近。與純氧化鋅相比，硼和磷原子的摻入可誘導(dǎo)低能量區(qū)域的光躍遷。峰隨著P濃度從BZn2PO ，BZn3PO模型增大，并在B

16、Zn4PO配置變?nèi)酢Ｗ罱?，類似的結(jié)果也得到了鎵摻雜的氧化鋅。因此，選擇合適的摻雜水平對優(yōu)化B-P共摻雜ZnO光學(xué)性質(zhì)至關(guān)重要。結(jié)合圖3,4,5的結(jié)果，光學(xué)躍遷在低能量范圍內(nèi)的增強(qiáng)可能主要由于P 3p和Zn 4s態(tài)之間的電子躍遷，在其中的位置的變化與P 3p的離域程度相對應(yīng)，如上面討論的電子性質(zhì)。在6.15，7.61和7.50 eV的峰主要來源于B Zn2PO,B Zn3PO和B Zn4PO的Zn的3d態(tài)到O的2p態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。圖6為不同構(gòu)型的氧化鋅體系的吸收光譜?？梢钥吹揭粋€(gè)相當(dāng)寬的吸收區(qū)域，主要吸收部位仍位于紫外區(qū)域。隨著B和P原子的摻入，吸收峰移向較低的能量范圍，并且吸收能量低的明顯主要?dú)w

17、因于P雜質(zhì)的電子在安全帶和Zn 4s態(tài)之間的躍遷。此外，系統(tǒng)的共摻雜ZnO的吸收系數(shù)增大，如圖6所示，這主要?dú)w因于P 3p狀態(tài)的增強(qiáng)。結(jié)果是摻雜為影響可見紫外線吸收的重要因素，這也可以使ZnO成為光電應(yīng)用的一個(gè)潛在候選人。圖7反應(yīng)了（B，P）共摻雜ZnO體系的反射率R（），折射率n（），和損失函數(shù)L（）。光學(xué)常數(shù)對光學(xué)材料及其相關(guān)應(yīng)用非常重要?？傮w而言，光學(xué)常數(shù)隨磷濃度的增加而變化。在（B，P）共摻體系，尤其是在 BZn3PO 和BZn4PO體系，低的光子能量范圍（o1.5 EV）具有較強(qiáng)的反射率，而折射率由強(qiáng)變?nèi)?。在光子能量范圍約4.515 eV，反射率和折射率表現(xiàn)出幾乎相反的趨勢。能量損失

18、函數(shù)描述了電子穿過材料的能量損失。圖7中的1311eV的最大值與等離子體振蕩的存在有關(guān)，從而減弱了磷濃度的增加。此外，電子峰能量損失譜也對應(yīng)于后緣的反射光譜。4結(jié)論第一原理計(jì)算已被用來研究（B，P）共摻雜ZnO體系在不同的配置。結(jié)果表明，BZN和PO喜歡位于相同的（00l）晶面的最近鄰點(diǎn)，BZnPO的結(jié)合也更穩(wěn)定。隨著磷濃度的增加，BZNPO復(fù)合物的結(jié)合能仍較低，而BZn4PO復(fù)合物不穩(wěn)定。在（B，P）共摻雜ZnO體系，一些雜質(zhì)出現(xiàn)在能級的價(jià)帶上方，這由于P 3p。隨著磷濃度的增加，P 3p的摻雜能力比單個(gè)磷原子越來越強(qiáng)。計(jì)算出的光學(xué)性質(zhì)表明，在低能量范圍內(nèi)有明顯的吸現(xiàn)象，這主要是因?yàn)镻雜質(zhì)帶

19、和Zn的 4s態(tài)之間的電子躍遷。我們的計(jì)算表明（B，P）是可以影響共摻雜ZnO電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的一種有效手段。致謝這項(xiàng)工作是由中國民航大學(xué)基金（批準(zhǔn)號06kys04）和2014個(gè)基本業(yè)務(wù)支出為中心的大學(xué)的研究活動，中國民航大學(xué)（Grant no.3122014k002）。參考文獻(xiàn)1 A. Ohtomo, M. Kawasaki, T. Koida, K. Masubuchi, H. Koinuma, Y. Sakurai, Y. Yoshida,T. Yasuda, Y. Segawa, Appl. Phys. Lett. 72 (1998) 24662468.2 T. Makino, Y.

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