(Ni, Co)单掺及Al-N共掺ZnO的第一性原理研究（学位论文-工学）

硕士学位论文二 一 二 年分类号: 学校代码: 10128UDC: 学 号: 20101235（类 别：全日制 士研究生 六 月硕题 目： (Ni, Co)单掺及 Al-N 共掺 ZnO 的第一性原理研究英文题目： First-principles study of (Ni, Co) single-doped andAl-N co-doped ZnO研 究 生：刘毅学科名称：物 理 电 子 学指导教师：侯 清 玉 教 授二 一三年六月内 蒙 古 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文摘 要氧 化 锌 （ ZnO） 作 为 一 种 新 型 的 直 接 宽 禁 带 半 导 体 材 料 ， 室 温 下 ， 测 得 其 禁 带 宽度 为 3.37eV， 激 子 束 缚 能 为 60meV， 并 且 具 有 无 毒 、 廉 价 、 抗 辐 射 能 力 强 、 较 高 的机 电 耦 合 性 能 和 很 好 的 稳 定 性 等 性 质 ， 在 光 电 材 料 方 面 一 直 受 到 国 内 外 学 术 界 的 广 泛关 注 。本文采用第一性原理分别研究了不同浓度过渡金属 Ni 和 Co 掺杂纤锌矿 ZnO 的电子结构和吸收光谱。计算结果表明，N i 的 掺 入 使 得 ZnO 体系的杂质能带和导带发生 了 简 并 化 ， 导 带 底 和 价 带 顶 同 时 向 低 能 方 向 移 动 ， 由 于 导 带 比 价 带 下 降 的 多 ， 导 致禁 带 宽 度 变 窄 发 生 红 移 现 象 。 并 且 掺 杂 浓 度 越 高 ， 禁 带 宽 度 越 窄 ， 吸 收 光 谱 红 移 越 显著 ； 对 Co 掺 杂 纤 锌 矿 ZnO 研究发现，Co 掺 杂 浓 度 越 高 ， 形 成 能 越 大 ， 掺 杂 越 困 难 。同时，随着掺杂浓度的提高，折合能量也不断增大，体系结构相对不稳定。Co 掺杂纤锌矿 ZnO 体系的杂质能带和导带同样发生简并化，各掺杂体系的导带与价带相比下 移 不 是 很 明 显 ， 所 以 禁 带 宽 度 变 宽 ， 吸 收 带 边 发 生 蓝 移 ， 且 掺 杂 浓 度 越 大 ， 禁 带 宽度 越 宽 ， 蓝 移 也 越 显 著 。本 文 采 用 第 一 性 原 理 分 别 研 究 了 Al 与 N 按照不同配比浓度掺杂纤锌矿 ZnO 的电子结构和吸收光谱。研究结果表明，A l 与 N 共掺都未使晶格常数发生明显变化，各体系的总能量随着掺杂 N 元素浓度的增加而增加，也就是随着掺杂 N 元素浓度的增加 体 系 变 得 越 来 越 不 稳 定 ， 通 过 对 它 们 的 形 成 能 分 析 可 知 ， 各 自 的 形 成 能 随 着 掺 杂 N元素浓度的增加也变大，这说明掺杂也变得越来越困难。同时，A l 与 N 元素共掺杂纤 锌 矿 ZnO 的空穴浓度都随着掺杂 N 元素浓度的增加而变大，这更有利于获得 p 型掺杂。当 Al 和 N 的 配 比 浓 度 比 例 为 1： 4 时 ， 空 穴 浓 度 最 高 ， 这 更 有 利 于 电 导 率 的提 高 。此 外 ， 我 们 还 研 究 了 Al 与 N 元素共掺杂纤锌矿 ZnO 的 吸 收 光 谱 分 布 ， 结 合 能 带结 构 分 析 了 吸 收 光 谱 分 布 ， 计 算 结 果 表 明 ， 当 Al 和 N 的配比浓度为 1： 4 时，禁带宽 度 最 宽 为 3.62eV，与纯的 ZnO 的 禁 带 宽 度 3.37eV 相比，禁带宽度拓宽了 0.25eV，吸收光谱蓝移最明显，这更有利于 ZnO 短波光学器件的获得，对设计和制备新型光学 器 件 有 一 定 的 理 论 指 导 作 用 。内 蒙 古 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文关 键 词 ：（ Ni， Co） 单 掺 ； Al-N 共 掺 杂 ； ZnO； 第 一 性 原 理内 蒙 古 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文AbstractZinc oxide (ZnO), as a new direct and wide band gap semiconductor materials, owingto its wide band gap of 3.37eV, high exciton binding energy of 60meV and better stabilityat room temperature, non-toxic, lower cost, higher radio-resistance, goodelectromechanical coupling Property and better stability etc. it has been concerned atworldwide in the field of optoelectronic material.The electronic structure and the optical properties of wurtzite ZnO doped with Ni andCo in a various doping concentration using the first-principles. The calculated results showthat the impurity band and conduction band of wurtzite ZnO are degeneration by Ni dopedin, the conduction band and valence band undergo a greater shift toward the low-energyregion at the same time, the band gap is narrowed, this is because the conduction bandundergoes a greater shift toward the low-energy region than the valence band, this leads tothe red-shift of absorption edge, and the heavier the doping concentration is, the narrowerthe band gap and the more significant red-shift will be; For Co doped wurtzite ZnO, wediscover that formation energy increases and the doping becomes more difficult with theincrease of doping concentration. Meanwhile, the equivalent total energy increases and thedoping model becomes less stable with increasing doping concentration. The impurityband and conduction band of wurtzite ZnO are degeneration by Co doped in, the change ofconduction band and valence band is not obviously, so the band gap becomes more broad,the optical absorption edge exhibits a blue-shift, and the heavier the doping concentrationis, the broader the band gap and more significant the blue-shift will be.In this paper, the electronic structure and optical properties of Al and N co-dopedwurtzite ZnO was investigated with various doping concentration ratio by usingfirst-principles. The calculated results showed that the lattice parameters have not beenobviously changed by Al-N co-doped in wurtzite ZnO, the total energy of all modelsincrease with the increase doping concentration of N, that is to say, the system becomesless stable with the increase doping concentration of N, based on the analysis of formationenergy, we can know that the formation energy increases with the increase of N dopingconcentration, this indicates the doping becomes more difficult. Meanwhile, Hole内 蒙 古 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文concentration increases with the increase doping concentration of N in Al-N co-doped ZnOsystem, this is good for the P-type doping, and when the doping ratio of Al and N is 1： 4,the hole concentration is the highest.Moreover, we investigated the absorption spectrum of Al-N co-doped wurtzite ZnO,combining with band structure and absorption spectrum chart we know that, in allcalculated models, when the doping concentration ratio of Al and N is 1： 4, the band gap isthe broadest of 3.62eV, compared with 3.37eV of pure ZnO, the band gap is broaden for0.25eV, the blue-shift of absorption spectrum is the most significant one, this is good forthe preparation of short wavelength optical device, and it will provide a certain theoryguidance for the design and preparation of new type optical devices.Key words： (Ni, Co) single-doped; Al-N co-doped; ZnO; First-principles内 蒙 古 工 业 大 学 硕 士