間隙摻雜中摻Au濃度對ZnO物理特性的影響

朱婷

（西南石油大學理學院，成都610500）

1 引言

作為一種直接帶隙的氧化物半導體，ZnO具有很高的激子束縛能，其能隙寬度為3.37eV，同時具有較低的介電常數、較高的熱學及化學穩定性，因此在很多領域被廣泛地應用。ZnO作為摻雜基底的研究已備受關注，論文將Au以間隙摻雜的方式摻入ZnO材料中，采用密度泛函理論的第一性原理系統地模擬計算摻Au濃度對ZnO物理特性的影響，為其Au在摻雜ZnO的研究領域提供了一定的參考。

2 計算模型及方法

為探討不同摻雜濃度對ZnO物理特性的影響，建立三種不同大小的ZnO超晶包：2×2×2、2×2×1和2×1×1。不同大小的晶包正是反映了不同的濃度，對于每種晶包只需將一個Au原子摻入ZnO晶體的間隙中，而這個間隙位置盡可能選擇超晶包的中心處。由此得到不同摻Au濃度的ZnO模型，三種摻Au濃度及摻雜位置如表1所示。

在計算前需分別對建立的三種超晶包模型進行幾何優化，使其達到最穩定的晶體結構。在Kohn-Sham 能量泛函形式中，選擇廣義梯度近似（GGA）的PBE 處理電子間的交換關聯能，采用超軟贗勢平面波選擇基函數，平面波截斷能量為Ecutoff=300eV，采用1×1×1 的Monkorst-park 特殊K 點對全Brillouin 求和，整個計算都在倒易空間中完成。此外，在參數設置中，自洽收斂能的精度為2.0×10-5eV/atom，最大位移為0.002A?，晶體內應力收斂標準為0.05GPa，原子的相互作用力收斂標準為0.05eV/A?。

3 計算結果和分析

3.1 摻Au后ZnO的電子結構

通過表1數據可以看出，對于任一大小的ZnO超晶包，間隙摻Au后ZnO的系統總能總是低于替位摻Au后ZnO的系統總能，這說明Au原子以填隙的方式摻入ZnO比以替位的方式更穩定[1]。此外，從Au的得失電子數可以看出，替位摻雜中的Au總是得電子，因此得到N 型半導體，而間隙摻雜中的Au總是失電子，其中2×2×1 中的Au失電子數最多，因此得到P 型半導體。

表1 替位摻Au與間隙摻Au后ZnO的系統總能及Au得失電子數

為了得到摻雜后ZnO晶體的電子結構，本文利用CASTEP 軟件分別計算了三種不同摻雜濃度下晶體的能帶結構和總態密度，具體結果如圖1所示。

圖1 三種不同摻雜濃度下晶體的能帶結構和總態密度

通過計算能帶結構圖中的導帶底和價帶頂對應的能量值，可以得到三種摻Au濃度的ZnO能帶帶隙，其計算結果如表2所示。

表2 間隙摻Au后的ZnO能帶帶隙

圖2 間隙摻雜中ZnO能帶帶隙隨摻Au濃度的變化曲線

圖2表明，隨著摻Au濃度的增加，ZnO帶隙呈逐步減小再增大的趨勢，類同拋物線。通常情況下，晶體的能帶帶隙越小，則材料的金屬性越強，電阻率越小，因而導電性越強。圖中，當摻Au濃度為8.75～9.69at.%范圍時，ZnO帶隙小至可忽略，此時ZnO的導電性達到最強效果。

3.2 摻Au后ZnO晶體的光學性質

圖a、b、c 分別對應3.125at.%、6.25at.%和12.5at.%三種不同摻雜濃度。

利用Origin 軟件計算，其對應的能量值如表3所示。

表3 摻雜晶體的光譜峰對應能量

由表3可以看出，隨著摻Au濃度由6.25at.%增加至12.5at.%，ZnO晶體的吸收譜均有一個峰，峰值逐步變得更銳利，且對應的能量也呈逐步增大的趨勢。當摻Au濃度降至時3.125at.%，吸收譜中出現了兩個峰，且兩峰的強弱接近，對應的能量分別為8.15eV和11.45eV。對于反射譜，當摻Au濃度到12.5at.%時，只有一個峰，峰值逐步變得平緩，所對應的能量則隨之增大。而當摻Au濃度為3.125at.%時，反射譜中也出現了兩個峰，兩峰的強弱差異明顯，對應的能量分別為8.41eV和12.53eV。

圖3 摻雜ZnO的光學吸收譜和反射譜

4 結論

為探討摻Au濃度對ZnO物理特性的影響，本文建立了2×1×1、2×2×1和2×2×2 三種不同大小的ZnO超晶包，對每種晶包僅摻入一個Au原子，由此完成摻雜模型的構建。理論方面，以密度泛函理論為基礎，選擇廣義梯度近似（GGA）的PBE處理電子間的交換關聯能，采用超軟贗勢平面波選擇基函數，運用CASTEP 軟件完成了晶體能帶結構、態密度以及光學性質的計算和分析。