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ZnO和ZnS本征点缺陷的理论研究.pdf
Vol.37 高等 学校 化 学 学报 No.5
2016年5月 摇 摇 摇 摇 摇 摇 CHEMICALJOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES摇 摇 摇 摇 摇 摇 932~937
doi:10.7503/ cjc
摇 摇
ZnO和和ZnS本征点缺陷的
理论研究
马昌敏,刘廷禹,常秋香,罗国胤
(上海理工大学理学院,上海200093)
摘要摇 基于第一性原理和热动力学方法,通过模拟计算分析了不同温度和分压下ZnS和ZnO 晶体本征点缺
陷的性质. 振动熵的计算结果表明,在高温条件下,振动熵对缺陷形成能的贡献不能忽略. 对比分析2种晶
体本征点缺陷随环境条件变化的规律,结果表明,2种晶体的主导缺陷均为空位型. 氧空位(V )在ZnO 中
O
更易形成,富氧和低温条件有利用于ZnO的p型本征掺杂. 而锌空位(V )在ZnS 中形成能最低,因此ZnS
Zn
比ZnO更容易形成p型掺杂. 研究还发现2种晶体的肖特基缺陷都不稳定,而弗伦克尔缺陷比较稳定. 除
ZnS反弗伦克尔缺陷外,有价态的缺陷对的形成能均比中性缺陷对的形成能低.
关键词摇 密度泛函理论;点缺陷;热力学;氧化锌;硫化锌
中图分类号摇 O641摇 摇 摇 摇 文献标志码摇 A摇 摇 摇 摇
ZnS和ZnO均为锌基域鄄遇族化合物直接宽带隙半导体,是非常重要的发光半导体材料,均包含立
方(闪锌矿)和六方(纤锌矿)2种晶体结构. ZnO通常以六方结构存在,而ZnS通常为立方结构. ZnO
的激子束缚能较大(抑60 meV),透明度高,广泛应用于发光二极管、荧光材料、光催化及太阳能光伏
材料,可变电阻及压电材料等领域[1~4]. ZnS则在阴极射线管的磷光体、 电致发光器件、非线性光学器
[5]
件、光催化剂及太阳能电池等方面有巨大的应用潜力 . 而实现ZnS和ZnO材料的n型和p型稳定掺
杂,是其在该领域应用的关键.
[6]
ZnS和ZnO都具有单极性 ,即:如果n型掺杂容易,p型掺杂就非常困难,反之亦然,这成为其
在光电领域应用的瓶颈, 目前已有很多利用共掺控制材料导电类型的报道[7~9]. 但要更好地控制导电
类型,本征点缺陷的深入研究尤为重要. 通过分析本征缺陷的形成来研究施主和受主中心的结构及物
理机制,从而更好地通过掺杂控制材料导电类型.
[10]
有关ZnS和ZnO本征点缺陷的研究已有不少报道,如王洪波等 研究了ZnO 中主要点缺陷浓度
[11]
与环境温度和氧分压的热力学关系. 徐彭寿等 研究了ZnO本征点缺陷的电子结构,讨论了其对导
[12,13] [14]
电性的影响. 在富氧或富锌条件下,对ZnO本征缺陷的研究也有报道 . Li和Deng 等 用第一性
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