第一性原理研究稀土掺杂zno 结构的光电性质 - 物理学报.pdf

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 4 (2013) 047101 第一性原理研究稀土掺杂ZnO 结构的光电性质* 1 1† 2 1 1 1 李泓霖 张仲 吕英波 黄金昭 张英 刘如喜 1) ( 济南大学物理科学与技术学院, 济南 250022 ) 2) ( 山东大学威海分校空间科学与物理学院, 威海 264209 ) ( 2012年5月9 日收到; 2012年9月26 日收到修改稿) 基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法, 运用Castep 计算分析了Er, Gd 两种稀土元素掺杂的 ZnO 结构, 对本征ZnO 和掺杂晶体的能带结构、态密度以及光学性质进行了分析对比. 由掺杂前后的结果分析发 现, 稀土掺杂的ZnO 结构引入了由稀土原子贡献的导电载流子, 增强了体系的电导率, 费米能级上移进入导带. 研究 表明由于稀土元素的掺入, ZnO 结构在费米能级附近出现了杂质能带, 这是由稀土的4f 态电子所形成. 同时, 纯净 ZnO Er-ZnO, Gd-ZnO (Er, Gd)-ZnO . , ZnO 与 和 的介电函数虚部有明显的差异 在光学性质上 掺杂 在可见光区的吸 收系数和反射率都比纯净ZnO 高, 能量损失峰出现红移现象. 关键词: ZnO, 稀土, 掺杂, 第一性原理 PACS: 71.15.Ap, 78.40.Fy, 71.20.Nr DOI: 10.7498/aps.62.047101 性的相对变化, 在共掺的情况下, 其铁磁性显著增 1 引言 10 强 . 因此, 对ZnO 掺杂各种类型元素的理论及实 验研究已成为该领域的一个研究热点, 并且通过掺 ZnO 是II-VI 族直接宽带隙氧化物半导体材料, 杂这种方式能够使人们对ZnO 掺杂结构的光电性 室温下能隙宽度为3.37 eV, 具有高达60 meV 的激 质的变化机理有一个新的认识11−15 . 子束缚能、稳定的化学性质以及优良的光电特性 由于镧系稀土元素具有独特的最外层电子结 等优点, 在太阳能电池、平板显示器、半导体激光 构, 现已被广泛运用于电磁器件和发光材料的生 器以及透明导电薄膜等方面有着广阔的应用前景, 产中, 是ZnO 掺杂体系研究的新热点. Lang 等16 已成为继GaN 之后在短波长半导体材料研究领域 通过ZnO 薄膜共掺稀土Eu, Er 发现掺杂体系的 1−3 的新热点 . 目前, 人们主要以ZnO 薄膜光电器 光致发光谱出现了明显的变化, 其蓝光发射峰的 件方面的研究为重点, 主要采用的研究方法是通 17 强度随着Er 含量的增加而增加; Minami 等 利 过掺杂不同类型的元素对其进行光电改性. 例如, 用实验方法研究了稀土元素(Sc, Y) 掺杂ZnO, 发 ZnO 是本征n 型半导体, 掺入H 或N 等受主元素 现其为n 型掺杂, 掺杂后电阻率减小, 导电性增强; 则可得到导电