高压下N-In和N-Mg共掺杂ZnO的第一性原理研究

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缺陷和掺杂影响半导体材料的性质,同时对其应用起到了决定性作用。由于纤锌矿的ZnO是直接带隙半导体,其带隙的宽度为3.37eV,这在原则上使得ZnO在蓝紫光区域有重要的应用,因此引起了人们的广泛关注。但是,ZnO有严重的掺杂不对称性问题,这导致无法实现ZnO在蓝紫光区域内的应用。因此,获得优良的p型ZnO成为了人们兴趣的焦点。本论文采用共掺杂方法设计p型ZnO,即N与In和N与Mg的共掺杂。通过基于密度泛函理论的第一性原理方法对复合体(In-xN)(x=1-4)和(N-4Mg)形成焓、离化能、束缚能和电子性质的计算,发现:在10GPa下,In‐3N和In‐4N的形成焓比0GPa时降低了,这说明压力使得这两个复合体的溶解度升高了。在0GPa下,In‐xN的离化能比单掺NO的要低,且其值随着压力的增加稍有升高;在压力作用下,缺陷对In‐xN由排斥作用变成吸引作用,(In‐4N)3‐除外。在10GPa复合体(In-4N)具有较低的形成焓、较好的束缚能和稍高的离化能,这有助于产生比0GPa下更加稳定的p型导电的ZnO。通过对态密度的分析,复合体(N-4Mg)的价带顶附近主要取决于系统p轨道的能量。尽管复合体中N元素的含量较少,但是通过不同元素对p轨道贡献的态密度分析,发现N元素对价带顶的影响超过了O元素,这将有助于形成p型导电。复合体N‐4Mg的形成焓随着压力的增加而升高,这说明压力作用降低了它的溶解度。N‐4Mg的离化能在压力的作用下降低,这有利于形成p型ZnO。随着压力的升高,束缚能也由正值(排斥作用)变为负值(吸引作用),缺陷对的稳定性得到提高。
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