低维氧化锌体系的p型掺杂和外场调控的理论研究.pdf

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1、中国科学技术大学博士学位论低维氧化锌体系的P型掺杂和外场调控的理论研究作者姓名：司杭学科专业：凝聚态物理导师姓名：潘必才教授完成时间：二O一二年四月文UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor’SdegreeTheoreticalstudiesofP--typedopingandexternalfieldcontrolofIOW．dimensinalZn0systemsensonanI·lAuthor’SName：HangSiSpeciality：；Supervisor：；Fini；hedtime：lnlShedt

2、lme：CondensedMatterPhysicsProf．BicaiPanApril，2012中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特另tlDH以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：稚签字日期：2立垤挪中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可

3、以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质沦文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。口公开口保密(——年)作者签名：盈拢作者签名：型允函签字目期：2鱼】2。亘，圣Q副雨签名：盘l签字日期：2i2z三：互：互全摘要捅要ZnO是一种典型的宽禁带直接带隙半导体材料，在室温条件下它的禁带宽度为3．37eV，激子束缚能为60meV。所以在室温甚至更高温度情况1c，ZnO在紫外发光器件领域里有着潜在的应用价值。基于以上的特性，人们分别从实验测量和理论计算的角度对ZnO这种材料的性质和应用进

4、行不断的探索。本论文主要是利用第一性原理的方法对ZnO表面及其部分低维纳米结构(例如ZnO双层纳米结构、ZnO单层纳米结构以及ZnO多fl米条带结构)进行了详细的研究。我们的计算结果将有助于理解表面效应是如何影响ZnO的p型导电性，同时预测了5'l,Dii的电场和应力场对其低维纳米结构物性的调控。本论文主要包括以下四章。第一章主要是从理论和实验上回顾了ZnO这种材料的基本结构和性质。其中，对ZnO的三维纤锌矿结构，主要综述了电子结构性质、本征缺陷性质以及如何实现P型掺杂等问题。接着以纤锌矿结构为基础，重点讨论了极性表面和非极性表面的电学性质。最后总结了不同种类的低维纳米结构特征，显示了丰富的结

5、构使得ZnO在纳米器件领域里有着广泛的应用前景。正是基于ZnO这种材料所具有的不同结构和性质，所以在本论文里我们选择在ZnO的表面进行P型掺杂以及对低维纳米结构的物性进行调控作为主要研究内容。第二章主要介绍了整个论文计算工作所涉及到的密度泛函理论。该理论主要以体系处于基态时的电荷密度为基础，认为一个多粒子体系的物理性质都是基态电荷密度的泛函，通过求解Kohn．Sham方程，将复杂的多体问题变为单粒子问题。在本章的最后，还介绍了本论文工作所使用到的计算程序包。从第三章开始，将主要介绍本人攻读博士学位期问所做的研究工作。第三章详细讨论fP型杂质原子Li、N以及共掺的Li—N在ZnO的非极性表面和极

6、性表面的最优位置分布和热离化能级，我们的计算结果表明替位的Liz。、No以及Liz。．No处于ZnO表面区域时的稳定性要比在ZnO体中时的稳定性好，并且Liz。、No以及Liz。．No在表面区域的热离化能要比其在体结构中的热离化能大很多。事实上，ZnO表面效应的存在会使P型杂质原子掺杂f豹ZnO薄膜材料的p型导电能力大幅度降低，这个结果对低维ZnO体系P型掺杂有着重要的指导意义。我们还发现由于不同的表面具有不同的静电势分布，所以在不同的ZnO表面区域里，Liz。、No以及Liz。．No的热离化能会表现出很大的差异。在此基础上，进一步讨论了不同浓度Li、N等P型杂质原子是如何在ZnO表面上沉积分

7、布的，计算结果表明只有通过控制p型杂质原子的浓度和体系原有缺陷浓度之比，才能获得相对稳定的p型ZnO薄膜样品。第四章主要讨论了几种低维ZnO纳米体系的结构和性质。首先讨论了具有不同叠加方式ZnO双层纳米结构的相对稳定性和电子结构性质，计算表明两个单层摘要之间通过静电吸引和偶极矩相互作用耦合在一起。基于zn原子和O原子电负性的差异，利用#I-D口电场可以有效地调节其电子结构性质和光学性质，使得ZnO