IVA元素掺杂的ZnO的电学和光学性质
基于密度泛函理论的总体能量平面波模守恒赝势方法,对掺杂Si、Ge、Sn的ZnO的电导率和光学性质进行了理论研究。结果表明,掺杂后晶格常数随着杂质原子序数的增大而增大。IVA族元素对Zn的替代可以提高ZnO的载流子浓度和电导率。ZnO∶Si的载流子浓度最大,ZnO∶Sn的电导率最大。IVA族元素对Zn的替代使得ZnO的吸收和反射都降低。此外,掺Sn的ZnO由于在可见光区吸收小和反射小,更适合用于制备高质量的透明导电氧化物。理论计算的结果与实验结果相一致。
关键词： ZnO;电导率;光学性质;透明导电氧化物
ZnO 是一种直接带隙宽禁带半导体材料, 室温下禁带宽度为337 eV, 激子束缚能为60 meV ，是典型的n 型极性半导体, 稳定相是六方纤锌矿结构。它是一种多功能材料, 在红外器件、传感器、光电器件等许多方面都有很大的应用前景。由于ZnO在可见光区具有很高的透过率, 所以可以用于制作透明导电氧化物(TCO) 。目前研究最多的是掺杂IIIA族元素Al、Ga、In 的ZnO。这些主要是通过提高载流子的浓度来降低电阻率。王三坡等和李喜峰等 制备的ZnOMo 和In2O3: Mo 薄膜载流子浓度较低, 但他们通过增大载流子的迁移率也降低了薄膜的电阻率。
对于IVA 族元素来说, Si、Ge、Sn 为间接带隙半导体, 并且间接带隙和直接带隙之间的能量差很小,导致带隙周围的电子结构很容易改变。同时由于Si、Ge、Sn 外围有4 个电子, 比IIIA 族元素外围的电子数多, 掺杂后有望获得更高的电子载流子浓度和更高的电导率, 而且在可见光范围内透过率很大, 所以可作为高质量的透明导电氧化物。
本文用Material Studio5. 5 中的CASTEP 模块对Si、Ge、Sn 掺杂的ZnO 的电导率和光学性质进行了比较, 得出了ZnO叜渀 更适合作透明导电氧化物。并用实验进行对照, 验证了理论计算的正确性。
本文基于密度泛函理论对掺Si、Ge、Sn 的ZnO的电导率和光学性质进行了比较。替位掺杂后由于杂质离子半径逐渐增大, 所以晶格常数逐渐增大。替位掺杂后的自由载流子的浓度增加了, 而且比掺IIIA 族元素得到的自由载流子浓度高。与纯ZnO 相比, ZnAO( A= Si、Ge、Sn) 的介电函数吸收峰数目减少了, 吸收减弱, 而且最强的吸收峰均红移至6.0 eV附近。掺杂后的反射率降低了, 反射最大值向低能端移动。由于掺Sn 的ZnO 电导率最大, 在可见光区的吸收最小, 反射也很小, 电导率最大, 所以相比之下ZnO-Sn 更适合用来制备高质量的透明导电氧化物。用实验对计算得到的结论进行了验证, 理论结果和实验结果相符。
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