Al-N共摻SnO2材料電子結構和光學性質

徐 帥，楊 平

(江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212013)

四方金紅石二氧化錫是直接寬帶隙(3.62 eV)金屬氧化物半導體[1]，價格低廉、物理化學穩定性高，在UV可見光區具有優秀的透光率和高導電率，使其廣泛應用在光學器件、太陽能電池、氣敏傳感器和鋰電池等方面。另外，與GaN, ZnO相比，二氧化錫在室溫下具有更寬的帶隙和更高的激子束縛能130 meV[2]，是一種具有重要潛在應用前景的波長更短的UV發光材料。

一般認為，由于高濃度本征氧空位缺陷的存在，未摻雜SnO2是一種n型導電材料[3]，這也是通過摻雜VA族[4-5]和氟元素[6-7]可以很容易地制備出n型SnO2薄膜的原因。然而有關p型氮摻SnO2的理論研究并不多見。Albanese[8]等人研究了N元素取代位或間隙位摻雜類型，其中N原子可以容易地取代SnO2晶格中的O原子的位置，并形成局域空態；此外，Sinha[9]等人通過脈沖激光沉積技術成功地制備了低電阻率和高透過率的Al摻雜SnO2薄膜，1Wt.%的摻雜濃度下電阻率最低，為9.49×10-4Ω·cm，在可見光區透明度高達90%；Benouis[10]等人報道Al摻雜SnO2的納米結構薄膜具有3.4 eV的光學帶隙和0.55-104S/cm的高電導率。

在本文中，通過在SnO2中摻雜鋁和氮元素獲得了較為優異的光學性能，空穴濃度增加，并且多數載流子從電子轉換成空穴，呈現p型導電，并研究了不同摻雜位置模型的光電性質。

1 模型建立和參數設置

本文采用的是基于第一性原理密度泛函理論的CASTEP模塊[11]，來計算模型的電子結構和光學性質。電子與電子之間的交換關聯作用選用局域梯度近似LDA[12]，贗勢選用超軟贗勢(USP)，價電子選擇為Sn 5s25p2, O 2s22p4, Al 3s23p, N 2s22p3。……