Na掺杂和空位对ZnO磁性及电子结构的影响
发布时间：2021-01-01 04:52
通过第一性原理,对Na掺杂(NaZn)与Zn空位(VZn)及Na掺杂与O空位（VO）共存的ZnO体系的形成能、电子结构及磁性机理进行了研究。结果表明,Na原子与空位(VZn或VO)空间位置最近时,掺杂体系的形成能最低;与诱导VZn相比,Na掺杂在ZnO体系中更易诱导VO,并且过量的Na掺杂必然导致VO的形成。另外,磁性研究发现,Na掺杂与空位(VZn或VO)共存的体系都具有磁性。并且Na掺杂与VZn共存的ZnO体系磁性源于VZn的本征缺陷,而Na掺杂与VO共存的ZnO体系的磁性源于Na原子与VO的电子关联交互作用。
【文章来源】：人工晶体学报. 2020年04期 北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
纤锌矿ZnO超胞与设定的Zn空位、O空位及Na掺杂点位
此外,关于NaZn与VO共存的情况本文还讨论了两个高掺杂体系Zn31NaO31与Zn15NaO15,并且与相应的NaZn单掺杂体系Zn31NaO32与Zn15NaO16作了形成能比较分析。如图2所示,随着NaZn掺杂浓度的提高,无论是NaZn单掺杂体系还是NaZn与VO共存体系的形成能都显著增大,掺杂越困难,然而随着NaZn含量的提高两种掺杂体系的形成能差异逐渐减小,甚至在某一临界掺杂浓度nc(是两条曲线交点所对应的Na掺杂剂浓度,本文并无法精确按此浓度完成模拟计算)之后NaZn与VO共存体系的形成能更低,体系更稳定。
关于Zn63NaO64掺杂体系,由图3(a)可知,体系的价带顶主要由O-2p态所贡献,导带底主要由Zn-4s,Na-3s态及一小部分O-2p态所组成。并且掺杂体系的费米能级已进入价带,说明体系在一定程度上呈现出p型半导体特征。这是由于NaZn掺杂相当于在体系中引入电离受主,从而导致掺杂体系p型化。另外,NaZn掺杂导致体系空穴载流子浓度提高,从而使掺杂体系禁带宽度减小。从图3(a)也可看出,在导带中,Na-3s态主要分布在3.5～4.6 eV能量范围,且这部分杂质能带与导带底Zn-4s态通过轨道杂化而构成重叠能带。进而导致掺杂体系导带底向低能方向移动,禁带宽度减小。经计算,该体系的禁带宽度为3.06 eV。如图3(a)所示,Zn63NaO64掺杂体系的自旋态密度呈对称分布,说明NaZn单掺杂并未使体系产生诱导磁矩,掺杂体系无磁性,这一结论与实验[16]相符。关于Zn62NaO64掺杂体系,如图3(b)所示,体系的自旋态密度呈非对称性分布,整个掺杂体系呈现出一定程度的半金属特征。对于上自旋区,体系的导带底主要由Zn-4s态与Na-3s态所组成;对于下自旋区,导带底主要由O-2p态及Zn-4s态所贡献。在图3(b)可看出,与NaZn单掺杂体系相比,Zn62NaO64体系在导带底附近O-2p态的自旋态密度明显增大。这是由于在Zn62NaO64体系中,VZn可被看成电离受主,VZn导致了邻近未成对O-2p态电子形成,并且主要由其构成了掺杂体系的导带底。另外,Zn62NaO64体系的自旋态密度呈非对称性分布,整个体系显示出铁磁性特征。如表3所示,体系的净磁矩为2.03μB。关于体系净磁矩的计算结果,可作如下分析:由于VZn可导致2个未成对O-2p电子的形成。根据洪特规则限定,这2个未成对电子必须是平行排列,且每个电子各贡献1μB的自旋磁矩。下面关于态密度图的分析也可证实这一结论。如图3(b)所示,在费米能级附近,O-2p态的诱导极化作用导致Zn-4s态电子态呈非对称分布,而Na-3s态电子态几乎是对称分布,对体系的磁矩基本无贡献。由此可知,在Zn62NaO64体系中,体系的磁性主要源于VZn的本征诱导磁化作用,而并非来自于NaZn与VZn的电子交换作用。比较图3(a)与3(b)可知,Zn62NaO64掺杂体系的禁带宽度明显减小,且掺杂体系的p型化特征更加明显。其原因在于,NaZn与VZn共存使掺杂体系空穴载流子浓度大幅增加,体系成为p型ZnO半导体,同时禁带宽度减小。
本文编号：2950945
【文章来源】：人工晶体学报. 2020年04期 北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
纤锌矿ZnO超胞与设定的Zn空位、O空位及Na掺杂点位
此外,关于NaZn与VO共存的情况本文还讨论了两个高掺杂体系Zn31NaO31与Zn15NaO15,并且与相应的NaZn单掺杂体系Zn31NaO32与Zn15NaO16作了形成能比较分析。如图2所示,随着NaZn掺杂浓度的提高,无论是NaZn单掺杂体系还是NaZn与VO共存体系的形成能都显著增大,掺杂越困难,然而随着NaZn含量的提高两种掺杂体系的形成能差异逐渐减小,甚至在某一临界掺杂浓度nc(是两条曲线交点所对应的Na掺杂剂浓度,本文并无法精确按此浓度完成模拟计算)之后NaZn与VO共存体系的形成能更低,体系更稳定。
关于Zn63NaO64掺杂体系,由图3(a)可知,体系的价带顶主要由O-2p态所贡献,导带底主要由Zn-4s,Na-3s态及一小部分O-2p态所组成。并且掺杂体系的费米能级已进入价带,说明体系在一定程度上呈现出p型半导体特征。这是由于NaZn掺杂相当于在体系中引入电离受主,从而导致掺杂体系p型化。另外,NaZn掺杂导致体系空穴载流子浓度提高,从而使掺杂体系禁带宽度减小。从图3(a)也可看出,在导带中,Na-3s态主要分布在3.5～4.6 eV能量范围,且这部分杂质能带与导带底Zn-4s态通过轨道杂化而构成重叠能带。进而导致掺杂体系导带底向低能方向移动,禁带宽度减小。经计算,该体系的禁带宽度为3.06 eV。如图3(a)所示,Zn63NaO64掺杂体系的自旋态密度呈对称分布,说明NaZn单掺杂并未使体系产生诱导磁矩,掺杂体系无磁性,这一结论与实验[16]相符。关于Zn62NaO64掺杂体系,如图3(b)所示,体系的自旋态密度呈非对称性分布,整个掺杂体系呈现出一定程度的半金属特征。对于上自旋区,体系的导带底主要由Zn-4s态与Na-3s态所组成;对于下自旋区,导带底主要由O-2p态及Zn-4s态所贡献。在图3(b)可看出,与NaZn单掺杂体系相比,Zn62NaO64体系在导带底附近O-2p态的自旋态密度明显增大。这是由于在Zn62NaO64体系中,VZn可被看成电离受主,VZn导致了邻近未成对O-2p态电子形成,并且主要由其构成了掺杂体系的导带底。另外,Zn62NaO64体系的自旋态密度呈非对称性分布,整个体系显示出铁磁性特征。如表3所示,体系的净磁矩为2.03μB。关于体系净磁矩的计算结果,可作如下分析:由于VZn可导致2个未成对O-2p电子的形成。根据洪特规则限定,这2个未成对电子必须是平行排列,且每个电子各贡献1μB的自旋磁矩。下面关于态密度图的分析也可证实这一结论。如图3(b)所示,在费米能级附近,O-2p态的诱导极化作用导致Zn-4s态电子态呈非对称分布,而Na-3s态电子态几乎是对称分布,对体系的磁矩基本无贡献。由此可知,在Zn62NaO64体系中,体系的磁性主要源于VZn的本征诱导磁化作用,而并非来自于NaZn与VZn的电子交换作用。比较图3(a)与3(b)可知,Zn62NaO64掺杂体系的禁带宽度明显减小,且掺杂体系的p型化特征更加明显。其原因在于,NaZn与VZn共存使掺杂体系空穴载流子浓度大幅增加,体系成为p型ZnO半导体,同时禁带宽度减小。
本文编号：2950945
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