计算材料学.docx

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1、摘要：本文通过第一性原理方法，从理论角度研究掺杂ZnO的电子结构(包括能带结构、电子态密度)。氧化锌(Zno)是一种有着广泛的应用前景的宽带隙半导体材料，属HTl族,在光电和压电等方面有着优越的价值。在室温下禁带宽度为3.37eV,束缚激子能高达60meV。关键词：ZnO第一性原理能带结构态密度ZnO是一种有着十分广泛的应用前景宽带隙半导体材料。ZnO有三种晶体结构，如图1(a)、(b)、(c)分别是纤锌矿结构、闪锌矿结构、岩盐矿结构。自然条件下以四配位纤锌矿结构存在一低压稳定相。闪锌矿结构可以在立方基底上生长获得，而岩盐矿结构通过对纤锌矿加压，在压力大于9GPa条件下得到。究人员通过大量的实

2、验发现：纤锌矿结构的ZnO是性质最稳定的一种宽禁带氧化物半导体材料之一。(a)(b)(c)图1ZnO有三种晶体结构1模型构建与计算方法1.1 模型构建理想ZnO是六方纤锌矿结构，属于P63mc空间群，对称性为C6vY,晶格常数a=b=O.3249nm,c=0.5206nm,=90,=120o.其中c/a为L602,较之理想六角密堆积结构的L633稍小.c轴方向的Zn-O键长为0.1992nm,其他方向为0.1973nm,其晶胞由氧的六角密堆积和锌的六角密堆积反向套构而成.计算选用222的ZnO超晶胞，由8个Zno单胞组成，共包含32个原子。如图2所示图2ZnO的结构模型(正视图和俯视图)1.2

3、 计算方法文中所有的计算工作均由MS软件中的CaStCP软件包完成.Castep软件是一个基于密度泛函方法的从头算量子力学程序：利用总能量平面波鹰势方法，将粒子势用鹰势替代，电子波函数用平面波基组展开，电子-电子相互作用的交换和相关势由局域密度近似(LDA)或广义梯度近似(GGA)进行校正，它是目前较为准确的电子结构计算的理论方法。2计算结果与讨论2.1ZnO的能带结构和态密度如图3和图4所示,结构优化后对ZnO的能带结构、总态密度进行了计算,得到了ZnO的带隙值为3.3eV,与文献中计算出的带隙值3.4eV相似，设:费米能级(Ef)是0。CASTEPBtfxlStructureBandgap

4、is3.332eV图3ZnO的能带结构CASTffDffstyofSatK图4Zno的总态密度由图可知,ZnO理论预测是一种直接宽禁带半导体材料，导带底和价带顶都位于布里渊区中心点处，自然条件下Zno是“单极性”n型半导体材料,计算结果与用其它理论方法计算的结果相符。从图中可以看出,ZnO的价带基本上可以分为三个区域,即-6.5eV-4.0eV的下价带、-4.OeV-O.OeV的上价带区，以及位于-18CV处的宽度为0.95eV的价带。显然,ZnO上价带区主要是由02p态形成的而下价带区则主要是Zn3d态贡献的;对于由02S态贡献的在T8eV处的价带部分,与其它两个价带之间的相互作用较弱,对Z

5、nO整体的性质影响不大.导带部分,其主要来源于Zn4s态的贡献,且电子具有明显的从Zn4s态到02p态的跃迁过程，引起氧位置处的局域态密度的引力中心向低能级方向移动,表明理想Zno是一个离子性较强而共价键较弱的混合键金属氧化物半导体材料。尽管采用了广义梯度近似和局域密度近似,但计算的带隙值(Eg=-L9eV和L4eV)仍然偏低。这主要是由于局域密度近似和广义梯度近似都存在E:计算值偏低的普遍性问题。对ZnO晶体而言主要是计算中过高地估计了Zn3d的能量,造成Zn3d与02P相互作用的增大,结果使价带带宽增大,带隙偏低。但这并不影响对ZnO电子结构的理论分析,尤其是对于点处的能带结构与以前的理论

6、和实验值完全符合，从图中可以看出价带顶发生了三重简并,能量由高到低按7、8、9顺序排列,而导带为7。从计算的能带图3可以看出ZnO是一种直接宽禁带半导体,导带底和价带顶位Brillouln区的F点处,带隙为T.9eV和1.4eV,与实验值的相对误差在35%左右,较其它理论计算的误差值小。对于来源于Zn3d态的下价带部分能级变化非常缓慢,而0P2贡献的上价带部分相对于导带却比较平滑,因此价带空穴具有大的有效质量,这或许是造成ZnO晶体P型掺杂困难最主要原因之一由态密度图可以看出，下价带区主要是Zn3d电子态,上价带区主要是02P电子态;对于由02S电子态贡献的在一18eV处的价带部分，由于与其它

7、两个价带之间的相互作用较弱,本文将不做过多讨论。ZnO的导带部分由Zn4s电子态4p电子态和02P电子态贡献,其中Zn4s电子态的贡献较大,特别在价带底部,主要由Zn4s电子态贡献。Zn、0的最外层电子分别集中于导带底和价带顶,表明理想ZnO是一个离子性较强而共价键较弱的混合键金属氧化物半导体材料。3结论D本文采用密度泛函理论GGA的超软履势能带计算方法，研究了纤锌矿ZnO0分析了N掺杂ZnO晶体的能带结构、电子态密度。2）计算和分析结果表明,ZnO是一种直接宽禁带半导体材料，带隙值为3.3eV,理想ZnO是一个离子性较强而共价键较弱的混合键金属氧化物半导体材料。参考文献1何开华.典型半导体材

8、料的第一性原理研究.硕士学位论文,成都:四川师范大学,20092汪丽莉.热电材料的第一性原理计算与研究D.武汉大学,2009.3张雍家.半导体及多铁材料的磁性研究D.山东大学,2013.4王琰,张佳,张晓光,王守国,韩秀峰.MgO单晶势垒磁性隧道结的第一性原理计算和实验研究J.物理学进展,2009,04:375-391.5于晓慧.金属掺杂Ti0_2和ZnO的第一性原理研究D.江苏大学,2010.6史守山.掺杂ZnO的第一性原理研究D.河北大学,2014.7李河.ZnO电子结构与基本属性的第一性原理研究D.武汉理工大学,2010.8 DuenowJ N, Gessert T A, Wood D

9、M, thickness onZnO:AI propertiesJ. Journal of 26(4):692-696.9 一 Lee S H, Lee T S, Lee T S, et al. thin filmsJ. Journalof Physics D: Applied Physics, 2008, 10Chen L, Chen W H, Wang J J, et al. deposited byetal. Effects of hydrogen ambient and filmVacuumScience and Technology, 2008,Characteristicsof hydrogen co-doped ZnO:AI41(9):95303-95309.Hydrogen-dopedhigh conductivity ZnO filmsradio-frequencymagnetronsputteringJ.AppliedPhysicsLetters,2004,85(23):5628-5630.