高压下ZnO杂质缺陷及ZnO-CaO合金结构与电子性质的第一性原理研究

发布时间：2017-03-30 13:02

  本文关键词：高压下ZnO杂质缺陷及ZnO-CaO合金结构与电子性质的第一性原理研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：氧化锌材料是一种直接带隙半导体材料，有着优良的光电特性。氧化锌材料的禁带宽度很高，达到3.37eV，使得有着很好的室温发光的应用前景；激子束缚能较高，达到60meV，可以在高辐射的工作条件下正常应用。正是由于这些优良的性质使得氧化锌材料得到了广泛的发展和应用。除此之外，氧化锌材料还有着丰富的材料来源，低廉的原料价格，在信息存储和发光器件的开发中有着重要的应用。 但是氧化锌材料在工业制备和应用上仍然存在着一些问题尚未得到解决。稳定的p型电导性，以氧化锌为基的带隙可调合金材料等，都是亟待解决的实际问题。因此，寻找高质量的p型氧化锌半导体以及以氧化锌为基的宽带隙合金材料都仍然是热点的研究问题。在本论文中，我们选取氧化锌作为研究基础，采用第一性原理结合结构预测搜索的方法，对氧化锌材料杂质缺陷在高压下的性质以及ZnO-CaO合金在高压下的新结构进行了预测，获得了以下创新性的结果： 1、我们采用了第一性原理的方法研究了氧化锌B1相在高压作用下的半导体本征缺陷性质。六种本征缺陷的缺陷形成能与内在压力，电荷态以及外界静水压有关。对于带负电荷态的缺陷，随着压力的增加缺陷形成能降低，，平衡浓度增加。而对于正电荷态的缺陷有着相反的趋势，随着压力的增加缺陷形成能增加，平衡浓度降低。在富锌条件下，由于作为施主的氧空穴有着较高的形成能，压力有利于形成p型导电的半导体。缺陷的跃迁能级同样与压力有很强的关系，而与缺陷的电荷态情况并没有很强的依赖。 2、我们采用第一性原理方法，研究了在压力作用下氧化锌中氮原子取代氧原子缺陷稳定性的变化。高压的引入使得缺陷形成能降低，缺陷平衡浓度增加。计算得到的缺陷形成体积始终为负值，表明缺陷形成能随着压力的增加而降低，与形成能的计算结果相符。随着压力的增加，在费米面处的缺陷能级也逐渐减弱，拜德电荷分析表明压力使得离子键增强。 3、我们采用第一性原理基于遗传演化算法的USPEX程序，系统地搜索了0-60GPa压力范围内稳定的CaO-ZnO合金结构。我们发现ZnO-CaO合金只有在高压下才能形成，并成功预测四种配比的高压稳定结构。这四种新型CaO-ZnO合金结构CaZn6O7，CaZn5O6，CaZn3O4和CaZnO2，分别具有R-3，C2/M，P2/C和R-3M的空间群，这些结构在其热力学稳定存在的压力区间都是动力学和力学稳定的。发现随着压力的增加，会有更高钙浓度的稳定结构出现；然而，压力升高到60GPa，合金的钙浓度始终不高于50%。合金结构随着钙浓度的变化，经历了从六角到单斜，又回到六角的过程。我们发现预测的稳定结构并不与ZnO和CaO有着似的对称性类型。进一步的分析表明组分结构的对称性对合金结构的对称性影响不大。通过比较和分析电荷能带结构，我们可以看出随着钙的浓度的增加，带隙有着近似线性的增加。并且当钙浓度低于50%时，带隙随着压力的增加而增加；当钙浓度等于50%时，带隙随着压力的增加先增加后降低。特别指出的是：我们在高压下得到的这些稳定结构，在常压下是亚稳态，表明这些材料可以借助高压手段来合成，通过卸压可以保存到常压状态。
【关键词】：高压 第一性原理 半导体 掺杂 合金
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O469
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-42
• 1.1 计算材料科学12-15
• 1.2 高压技术15-19
• 1.2.1 压力的定义及分类15-17
• 1.2.2 压力的分布范围17-18
• 1.2.3 压力对物质的作用18-19
• 1.3 半导体及氧化锌材料的研究进展19-32
• 1.3.1 半导体材料的研究进展19-21
• 1.3.2 氧化锌材料的研究进展21-23
• 1.3.3 氧化锌的结构与基本性质23-25
• 1.3.4 氧化锌的本征缺陷与掺杂25-31
• 1.3.5 氧化锌基合金材料的带隙工程31-32
• 1.4 本研究的目的和意义32-33
• 1.5 参考文献33-42
• 第二章 理论基础与计算方法42-58
• 2.1 多粒子体系的薛定谔方程42-45
• 2.1.1 绝热近似43-44
• 2.1.2 Hartree 近似44
• 2.1.3 Hartree-Fork 近似44-45
• 2.2 结构预测方法密度泛函理论45-50
• 2.2.1 Hohenberg-Kohn 定律46
• 2.2.2 Kohn-Sham 方程46-48
• 2.2.3 交换关联能48-50
• 2.3 第一性原理计算方法50-53
• 2.3.1 基组50
• 2.3.2 全电子法和赝势50-52
• 2.3.3 Kohn-Sham 方程的自洽计算52-53
• 2.4 结构预测方法53-55
• 2.5 参考文献55-58
• 第三章 压力作用下氧化锌本征缺陷的研究58-74
• 3.1 研究背景58-59
• 3.2 计算方法和细节59-60
• 3.3 本征缺陷形成能体积的计算60-63
• 3.4 本征缺陷形成焓的计算63-68
• 3.5 本征缺陷电子跃迁能级的计算68-69
• 3.6 本章小结69-70
• 3.7 参考文献70-74
• 第四章 压力作用下氧化锌杂质的研究74-88
• 4.1 研究背景74-75
• 4.2 计算方法和细节75
• 4.3 氮掺杂氧化锌的缺陷形成能75-76
• 4.4 氮掺杂氧化锌的缺陷形成体积76-77
• 4.5 氮掺杂氧化锌的缺陷浓度77-78
• 4.6 氮掺杂氧化锌的缺陷电荷分布78-80
• 4.7 氮掺杂氧化锌的能带态密度80-82
• 4.8 本章小结82
• 4.9 参考文献82-88
• 第五章 CaZnO 合金高压下的研究88-108
• 5.1 研究背景88-89
• 5.2 计算方法和细节89
• 5.3 CaO 和 ZnO 的基本性质89-90
• 5.4 CaZnO 合金结构与热力学稳定性90-95
• 5.5 CaZnO 合金动力学和力学稳定性95-98
• 5.6 CaZnO 合金带隙结构98-102
• 5.7 本章小结102-103
• 5.8 参考文献103-108
• 第六章 总结108-110
• 学术成果110-112
• 致谢112

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 徐祖耀;;材料科学及其进展[J];材料科学与工程;1983年01期

  本文关键词：高压下ZnO杂质缺陷及ZnO-CaO合金结构与电子性质的第一性原理研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：277160