La掺杂对SnO2薄膜光学特性影响的第一性原理及实验研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学真空与流体工程研究中心 作者:单麟婷

  采用密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法探讨了La 掺杂对SnO2光学特性的影响,并通过实验进行验证。理论分析表明,由于La 的掺入,费米能级上移进入导带,禁带宽度变小,介电函数虚部与吸收谱发生红移。实验结果表明La 掺杂并没有改变晶型结构,晶格常数略微增大,晶粒尺寸减小。薄膜在可见光区的透过率除7% La 掺杂外均超过80%,且随掺杂浓度增加禁带宽度逐渐减小,实验结果与理论计算结果相互验证,为稀土掺杂SnO2的研究提供依据。

  第一代半导体材料以锗、硅为代表,第二代以GaAs、InP 等化合物为代表,现在人们越来越关注第三代半导体,即宽禁带半导体,如SnO2等。SnO2空间群为P42/mnm,室温下禁带宽度为3.6 eV,激子束缚能高达130meV。正是由于较高的激子束缚能,使得SnO2为基的半导体材料有望成为更有发展潜力的光电材料。SnO2掺杂形成的材料因具有更高的电导率和光学透过率,广泛用于太阳能电池、有机半导体仪器中的有效电极,以及平板显示、传感器等方面,是当前功能材料研究领域和工业发展的热点之一。

  掺杂元素的不同使得SnO2的性能发生改变,因而,掺杂对SnO2材料光电性能影响的研究倍受关注,而稀土元素具有独特的4f 电子结构,其原子磁矩、自旋轨道耦合较强,形成配合物时的配位数在2 ~3变化,使它显示出的特殊性质逐渐成为SnO2掺杂体系研究的重点。Evandro等用溶胶凝胶法制备了稀土(Er,Eu) 掺杂SnO2薄膜,样品PL 谱的峰值发生了不同的位移。李健等采用真空气相沉积法研究了Nd掺杂SnO2薄膜,掺杂后薄膜透光率下降。Li等通过水热法制备La掺杂SnO2样品,随掺杂浓度增加,样品晶粒尺寸减小并具有更好的分散性。虽然对稀土掺杂SnO2的改性进行了一定研究,但因实验的工艺条件不同,且影响样品微观结构的因素极其复杂,又缺少掺杂元素对电子结构影响的详细研究,从而导致对掺杂改性的机理说法不一,改性效果也大相径庭,而利用计算机对其进行模拟计算,既克服实验因素的影响,又突出了掺杂效应中的主要因素。Ph. Barbarat 等用第一性原理研究了SnO2的电学、光学和化学键性质,分析了化学键与光学性质间的关联性。于峰等基于第一性原理的线性缀加平面波方法研究Al 掺杂SnO2材料,发现随Al 掺杂量的增加带隙逐渐增宽,且态密度整体向高能方向发生移动。

  目前为止,对于第一性原理的研究大多数都集中在F、Sb、In、Fe上,对稀土掺杂SnO2报道较少,本文结合理论与实验对La 掺杂SnO2薄膜的光学性能进行分析,并为以后研究提供相应的参考依据。

  4、结论

  基于理论与实验两方面对La-SnO2薄膜进行研究。理论计算表明La 掺杂SnO2后带隙减小,Fermi能级上移进入导带,晶体呈金属性,同时ε2和吸收谱均向底能方向移动。实验结果表明掺杂后薄膜物相未发生改变,但晶粒尺寸减小,晶格常数略微增大。另外,样品的透光率均达80% 以上除7% La外,Eg减小,且有红移的趋势。由于吸收谱发生红移,可提高SnO2光催化活性,降低催化成本,扩大了应用范围,具有良好的经济效益。

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