p-K:ZnO薄膜的制备及其电子结构第一性原理研究

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氧化锌(ZnO)材料由于存在本征点缺陷(氧空位V0和锌填隙Zni)的施主补偿作用,导致p型ZnO的制备很困难,限制了其在光电领域的开发和应用。 第1或V族元素都可以作为ZnO的p型掺杂剂,本文针对第IA族的K元素为掺杂剂,利用射频磁控溅射技术,以氩气和氧气为生长气氛,在单晶硅或蓝宝石上淀积p-ZnO薄膜。利用X射线衍射仪、原子力显微镜、X射线光电谱仪、霍尔测试等晶体和电学性能表征技术,在摸索最佳制备工艺的基础上,研究了衬底温度Ts、氧分压Po以及衬底材料的结构对薄膜的结构性能和电学性能的影响。结果表明,样品在实验条件范围内均呈p型电导。当Ts=500℃,Po=30%,衬底为A12O3时,p-K;ZnO薄膜的电阻率、空穴浓度和迁移率分别为1.8 Ωcm、8.92×1017cm-3和3.89cm2/V.s,其晶粒尺寸和粗糙度分别为130.19nm和65.28nm。薄膜组成偏离化学配比,O含量偏高。 为进一步研究K:ZnO p型导电的机理,基于密度泛函理论框架,利用局域密度近似的第一性原理平面波赝势方法,对含有氢填隙(Hi)、氧空位(Vo)、锌填隙(Zni)和锌空位(Vzn)的K:ZnO电子结构分别进行了研究。结果表明, (1)单独掺K可引入浅受主,但系统总能增高; (2)K与H共掺可降低系统总能,提升稳定性; (3)Vo和Zni都是负电中心,在导带底-leV附近引入浅施主能级,起补偿受主作用; (4)Vzn在价带顶0.5eV左右形成浅受主,有利于晶体p型导电。 最后,提出了p-K:ZnO的导电机制可能是由于形成了Kzn-O-Hi-O-Vzn结构所致。
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