寬禁帶半導(dǎo)體In-,2-O-,3-結(jié)構(gòu)和性能的第一性原理研究.pdf

1、近年來，以寬禁帶半導(dǎo)體為基體的材料由于其獨(dú)特的物理和化學(xué)性能，使其在電子學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)和生物學(xué)等領(lǐng)域顯示出了巨大的應(yīng)用潛力，對(duì)這些材料的研究形成了一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。在實(shí)驗(yàn)上，制備具有優(yōu)異性能的新材料以及開發(fā)已有材料的新功能是科研工作者的努力方向。在理論方面，量化工作者致力于在量化理論的基礎(chǔ)上利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，對(duì)半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)等方面進(jìn)行理論研究，以探索半導(dǎo)體光電性能的本質(zhì)。本文采用基于密度泛函理論框架下的第一性原理計(jì)算，

2、分析了寬禁帶半導(dǎo)體In2O3的本征性質(zhì)，并進(jìn)一步探討了摻雜以及缺陷態(tài)對(duì)In2O3電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響。主要研究?jī)?nèi)容如下： 1.第一性原理研究純相In2O3幾何結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。 利用Material Studio軟件中的CASTEP模塊，研究了立方相和三方相In2O3的幾何結(jié)構(gòu)，電子結(jié)構(gòu)和它們的光學(xué)性質(zhì)。光學(xué)性質(zhì)的介電函數(shù)虛部可以由電子結(jié)構(gòu)計(jì)算直接得到，介電函數(shù)的實(shí)部，利用Kramer-Kronig色散關(guān)系得到。光學(xué)性

3、質(zhì)的其它光學(xué)常數(shù)如折射率、反射率及吸收系數(shù)可以通過介電函數(shù)得到。電子結(jié)構(gòu)和布居分析顯示，In與O之間的成鍵作用主要是離子鍵，但是仍然存在少量的共價(jià)鍵成分。根據(jù)能帶和態(tài)密度圖，我們分析和確定了介電函數(shù)虛部所體現(xiàn)的光吸收和躍遷，其在6eV附近的峰值對(duì)應(yīng)于從價(jià)帶O2p態(tài)到導(dǎo)帶底In5s態(tài)的電子躍遷；在9eV附近的峰值對(duì)應(yīng)于從價(jià)帶O2p態(tài)到導(dǎo)帶In5s或者5p態(tài)的電子躍遷。晶體在0～5eV的可見光區(qū)吸收很弱，說明In2O3是良好的透明材料。計(jì)算

4、結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合較好，這些性質(zhì)的研究對(duì)于In2O3的應(yīng)用有很大的參考價(jià)值。 2.密度泛函理論計(jì)算和分析N摻雜以及N：H共摻雜In2O3幾何結(jié)構(gòu)和光催化性能。 （a）構(gòu)建了N間隙和取代摻雜In2O3的模型，使用基于密度泛函理論的DMol3軟件分析了N摻雜對(duì)In2O3幾何和能帶結(jié)構(gòu)的影響。計(jì)算結(jié)果顯示N雜質(zhì)不同的摻雜形式對(duì)電子結(jié)構(gòu)的影響是不同的。從能帶和態(tài)密度圖中可以看出：取代摻雜時(shí)，N2p雜質(zhì)態(tài)在價(jià)帶頂之上形成雜質(zhì)態(tài)，光激電子

5、從這些N2p雜質(zhì)態(tài)到導(dǎo)帶底之間的躍遷，造成摻雜材料吸收邊沿的紅移；間隙摻雜時(shí)，N與O形成NO-結(jié)構(gòu)，在能帶結(jié)構(gòu)的帶隙中存在兩條NO反尢軌道（anti-π orbitals），主要是由雜質(zhì)N2p態(tài)貢獻(xiàn)的。另外，由于立方相和三方相In2O3的電子密度的不同，導(dǎo)致了在N摻雜時(shí)不同晶相In2O3的能帶結(jié)構(gòu)變化是不同的，立方相的能帶變化要比三方相的弱得多。 （b）為了理解H原子在N摻雜時(shí)的作用，構(gòu)建了N：H共摻雜的立方相In2O3模型，利用

6、第一性原理計(jì)算對(duì)比分析了純相、N摻雜以及N：H共摻雜時(shí)的能帶和態(tài)密度的變化。計(jì)算結(jié)果表明，在NH共摻雜時(shí)，H起施主作用，提供電子。取代摻雜時(shí)，能夠降低N2p態(tài)的能量，使之與價(jià)帶O2p很好地雜化，從而改善能帶結(jié)構(gòu)。在間隙摻雜時(shí)則減少了帶隙中雜質(zhì)能級(jí)的數(shù)目，使帶隙中的NO反π軌道只有一條，并且使帶隙降低?？傊琀的作用是使雜質(zhì)能級(jí)降低，與價(jià)帶雜化增強(qiáng)的作用。 3.第一性原理計(jì)算和分析立方相In2O3的本征缺陷。 運(yùn)用密度泛函

7、理論我們分析了在立方In2O3中本征缺陷的構(gòu)型、形成能以及電子結(jié)構(gòu)等性質(zhì)。形成能的計(jì)算表明，氧空位無論在富氧條件還是貧氧條件下都是最容易形成的，而其它穩(wěn)定的缺陷結(jié)構(gòu)與氧氣分壓有關(guān)。氧空位導(dǎo)致電子占據(jù)導(dǎo)帶底的一條能級(jí)，形成施主能級(jí)，同時(shí)費(fèi)米能級(jí)移到導(dǎo)帶底。由于它較低的形成能，所以它是使In2O3成為n型導(dǎo)電材料的主要因素；對(duì)于氧間隙，在構(gòu)型優(yōu)化達(dá)到穩(wěn)定態(tài)后，形成了過氧結(jié)構(gòu)O22-，引起帶隙明顯降低，并且在價(jià)帶項(xiàng)之上存在兩條占據(jù)的反π能級(jí)。

8、銦空位對(duì)電子結(jié)構(gòu)的影響不大，受主能級(jí)靠近價(jià)帶項(xiàng)，是一種p型導(dǎo)電缺陷，但是由于其較高的形成能，在晶體的導(dǎo)電性中并不能顯示出來；銦間隙形成兩條施主能級(jí)，淺施主能級(jí)穿過費(fèi)米能級(jí)被一個(gè)單電子占據(jù)，深施主能級(jí)位于費(fèi)米能級(jí)之下被兩個(gè)單電子占據(jù)。計(jì)算結(jié)果表明，在各種本征缺陷中，氧間隙能夠很好地改善In2O3的光吸收，提高它的光催化活性。 從文獻(xiàn)調(diào)研的情況來看，目前對(duì)In2O3的研究主要是基于實(shí)驗(yàn)制備，其性質(zhì)的理論研究尤其是它光催化性能的研究還