Ag掺杂ZnO的第一性原理计算.pdf

第28卷 第5期 半 导 体 学 报 Vol.28 No.5 2007年5月 CHINESEJOURNALo F SEM ICONDUCTORS May，2007 Ag掺杂zno的第一性原理计算 ‘ 万齐欣 熊志华 饶建平 戴江南 乐淑萍 王古平 江风益， (南昌大学材料科学研究所，教育部发光材料与器件工程研究中心，南昌 330047) 摘要:采用基于密度泛函理论的第一性原理鹰势法对Ag 掺杂ZnO的几何结构、杂质形成能和电子结构进行了比 较系统的研究.研究表明，掺Ag导致晶格膨胀;在Zno晶格中，杂质Ag最可能以替代Zn位出现，此时将形成一 个深受主能级.文中的计算结果与其他研究者的实验结果相吻合. 关键词:Zno;Ag;第一性原理;电子结构 PACC:7115M;7115H;7320A 中图分类号:TN304.02 文献标识码:A 文章编号:0253一4177(2007)05一0696一05 Sham能量泛函形式中，电子之间的交换关联能是 1 引言 以电子密度的泛函形式给出的.本文的交换关联势 采用广义梯度近似(generalizedgradientapproxi- n一Vl族半导体ZnO是继GaN材料之后又一 mation，GGA).鹰势法是指将每个原子的内层核 引起人们广泛关注的宽禁带直接带隙化合物半导体 心电子及原子核的库仑作用简化为离子对价电子的 材料，是制备紫外光电器件的优选材料.特别是 膺势作用Vion(r)，由于忽略了核心电子存在，使得价 ZnO薄膜的光泵浦近紫外受激发射现象的发 电子在原子核附近变得平滑，因而，可以用较少的平 现[1，幻，使得这一领域备受科研人员的关注，成为光 面波来构造电子波函数，从而使计算量大幅下降.计 电子等领域的又一研究热点.但是，由于ZnO存在 算过程中，我们选择了投影缀加平面波(projector 较多本征施主缺陷，会对受主掺杂产生自补偿作用， augmentedwave，pAW)膺势.计算程序包选用 并且受主杂质固溶度很低，使得p型zno很难获 vASP(viennaabinitiosimulationPackage)代 得.众所周知，要制备p型半导体材料，必须通过受 码[9，0‘〕. 主掺杂才能实现.Ag就是p型ZnO的一种可供选 理想的ZnO 晶体是六方纤锌矿结构，属于 择的掺杂元素.然而，到目前为止，还没有人报道用 P63mc空间群，每个原胞有4个原子.我们采用由 Ag作为受主掺杂获得较好的p型Zno巨3一6〕.1991 32个原子组成的超晶胞(图1).计算过程中，平面波 年，Kanai川曾报道通过实验测量得到Ag在Zno 切断能Ecut为520eV，布里渊区K点网格取为5X5 中的能级位置位于导带底以下0.23eV，是深受主能 X3.再增大平面波切断能和K点数体系总能收敛 级.但是，2002年，Gruzintsev等人[8〕在研究掺劫 ， 达到lmeV/atom.我们的计算得到，晶格常数理论 Ag和Cu的zno薄膜的发光特性时，却发现Ag的 值为a=0.3249nm和。/a=1.608，它们和实验值 受主能级在价带顶0.20eV处.由此可见，实验测得 a=0·324nm和c/a=1.60[“〕非常吻合.我们对原 Ag在Zno中的能级位置还存在着争议，因此有必 胞中的离子位置以及原胞的体积都进行了弛豫计 要在理论上进一步澄清Ag在ZnO中的能级位置 算，当原子的受力小于0.leV/nm时，弛豫停止. 及存在方式，以便为实验制备p型ZnO提供正确的 本文计算了Ag在Zn位、0位以及间隙位三种 理论指导. 构型的杂质形成能Ef.计算公式为[l2〕: