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《第一性原理研究稀土掺杂zno结构的光电性质_李泓霖》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、------------------------------------------------------------------------------------------------第一性原理研究稀土掺杂ZnO结构的光电性质_李泓霖物理学报ActaPhys.Sin.Vol.62,No.4(2013)047101第一性原理研究稀土掺杂ZnO结构的光电性质*李泓霖1)张仲1)?吕英波2)黄金昭1)张英1)刘如喜1)1)(济南大学物理科学与技术学院,济南250022)2)(山东大学威海分校空间科学与物理学院,威海264209)(2012年5月9日收到;2012年9月26日收
2、到修改稿)基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,运用Castep计算分析了Er,Gd两种稀土元素掺杂的ZnO结构,对本征ZnO和掺杂晶体的能带结构、态密度以及光学性质进行了分析对比.由掺杂前后的结果分析发现,稀土掺杂的ZnO结构引入了由稀土原子贡献的导电载流子,增强了体系的电导率,费米能级上移进入导带.研究表明由于稀土元素的掺入,ZnO结构在费米能级附近出现了杂质能带,这是由稀土的4f态电子所形成.同时,纯净ZnO与Er-ZnO,Gd-ZnO和(Er,Gd)-ZnO的介电函数虚部有明显的差异.在光学性质上,掺杂ZnO在可见光区的吸收系数和反射率都比纯净ZnO高,能量损
3、失峰出现红移现象.关键词:ZnO,稀土,掺杂,第一性原理PACS:71.15.Ap,78.40.Fy,71.20.NrDOI:10.7498/aps.62.0471011引言ZnO是II-VI族直接宽带隙氧化物半导体材料,——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------室温下能隙宽度为3.37eV,具有高达60meV的激子束缚能、稳定的化学性质以及优良的光电特性
4、等优点,在太阳能电池、平板显示器、半导体激光器以及透明导电薄膜等方面有着广阔的应用前景,已成为继GaN之后在短波长半导体材料研究领域的新热点[1?3].目前,人们主要以ZnO薄膜光电器件方面的研究为重点,主要采用的研究方法是通过掺杂不同类型的元素对其进行光电改性.例如,ZnO是本征n型半导体,掺入H或N等受主元素则可得到导电性能较好的p型ZnO材料[4?7];掺杂Fe,Co,Ni,Mn等过渡族金属元素的ZnO则转换为良好的稀磁半导体(dilutedmagneticsemicon-ductors,DMS)材料,可用于制作电子自旋或场发射方面的器件[8];而Cu掺杂ZnO后其电子结
5、构和铁磁稳定性发生了显著的变化[9];进一步通过对ZnO单掺Ni,共掺(Ni,Al)或(Ni,Li)等杂质的计算结果表明,Ni掺杂的位置影响着ZnO铁磁性和反铁磁性的相对变化,在共掺的情况下,其铁磁性显著增强[10].因此,对ZnO掺杂各种类型元素的理论及实验研究已成为该领域的一个研究热点,并且通过掺杂这种方式能够使人们对ZnO掺杂结构的光电性质的变化机理有一个新的认识[11?15].由于镧系稀土元素具有独特的最外层电子结构,现已被广泛运用于电磁器件和发光材料的生产中,是ZnO掺杂体系研究的新热——————————————————————————————————————----
6、--------------------------------------------------------------------------------------------点.Lang等[16]通过ZnO薄膜共掺稀土Eu,Er发现掺杂体系的光致发光谱出现了明显的变化,其蓝光发射峰的强度随着Er含量的增加而增加;Minami等[17]利用实验方法研究了稀土元素(Sc,Y)掺杂ZnO,发现其为n型掺杂,掺杂后电阻率减小,导电性增强;Kaur等[18]通过实验方法研究了Y掺杂ZnO的光电学特性.Gd具有独特的闪光特性,可用于荧光薄膜或者其他发光材料的制备中.在稀土共掺Gd
7、的情况下,Gd可作为敏化剂,增大吸收截面而提高激活剂的发光强度[19?22].此外,在近红外光谱区,Er是常见的掺杂元素之一,这是因为其4I15/2→4I11/2和4F7/2→4I11/2的跃迁易被半导体激光二极管所激发.因此我们选择Er和Gd作为掺杂的两种元素*山东省科技发展计划(批准号:2009GG2003028)和国家自然科学基金青年科学基金(批准号:11104114)资助的课题.?通讯作者.E-mail:sszhangz@ujn.edu.cnc2013中国物理学会ChinesePhy
