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氧化锌(ZnO)是一种宽带隙半导体材料,有着广泛的应用前景。然而,由于p 型ZnO材料难以获得,使得ZnO的应用范围受到很大限制。因此,如何制备 p型ZnO是一个备受关注的重要课题。本文在充分调研国内外相关研究现状的基础上,比较系统地对ZnO的p型掺杂问题进行了理论研究。
基于密度泛函理论,本文采用第一性原理赝势方法主要研究了以下问题:
首先从氧化锌的结构入手,分析其晶格和电子结构特点,然后介绍了基于密度泛函理论的第一性原理,这是目前在材料科学中广泛应用的一种方法,并重点介绍了赝势理论;接着详细研究了氧化锌的各种本征缺陷,并根据研究结果指出过量的锌所导致的锌填隙和氧空位是 n 型导电性的主要来源;随后主要对氮掺杂氧化锌进行了详细的研究,并指出氮是 p 型掺杂的最佳备选元素,可是氮掺杂需要在富锌条件下进行,因为在富锌条件下它的形成能最小,这就面临一个难以抉择的困难:富锌条件能使氮掺杂的形成能最小,有利于提高氮在氧化锌中的浓度,但同时富锌条件也有助于形成 n 型导电,它会对 p 型掺杂形成补偿作用,削弱 p型掺杂的效果。文章同时也对共掺模型进行了研究,但研究结果对 p 型掺杂未有明显改进。在文章的后面部分提出了氮氢共掺模型,这一模型明显不同于其它模型,它的特别之处是让氢原子占据间隙位,氮原子占据氧位,其形成能很小,且比单独用氮掺杂小得多。这一模型有助于阻止锌原子对间隙位的占据,能有效地削弱施主缺陷对受主的补偿,并且就本文的各种模型来看,这是最有效的 p 型掺杂模型。文章最后对氧化锌的应用前景进行了展望。