稀土掺杂gan第一性原理的研究

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1、分类号：TN304密级：UDC：编号：13-080501-42M学位论文稀土掺杂GaN的第一性原理研究李倩倩指导教师姓名指导教师姓名：指导教师姓名郝秋艳教授河北工业大学李英副研究员河北工业大学申请学位级别申请学位级别：申请学位级别硕士学科学科、学科、、、专业名称专业名称专业名称：专业名称材料物理与化学论文提交日期论文提交日期：论文提交日期2013年1月论文答辩日期:2013年3月学位授予单位学位授予单位：学位授予单位河北工业大学答辩委员会主席答辩委员会主席：答辩委员会主席评评评阅阅阅人人人：人2013年年年3月月月Dis

2、sertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofMaterialsPhysicsandChemistryFIRSTPRINCIPLESTUDYONRAREEARTHDOPEDGANbyLiQianqianSupervisor:Prof.HaoQiuyanAssociateProf.LiYingMarch2013ThisworksupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No

3、.50901027),theNatureScienceFoundationofHebeiProvince(No.A2010000013)andtheNatureScienceFoundationofTianjinCity(No.10JCYBJC03000).河北工业大学硕士学位论文稀土掺杂GaN的第一性原理研究摘要宽禁带半导体以其优异的化学和物理性质成为当前研究的热点，GaN拥有优良的光电性质以及宽的直接带隙，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料。由于稀土独特的光学和磁学性能，稀土掺杂GaN的光学性质和磁学性质的

4、研究引起了人们广泛的兴趣。本论文利用第一性原理方法研究了稀土掺杂GaN的电子结构和光、磁学性质，具体内容如下：基于密度泛函理论（DFT）的平面波赝势方法计算了理想GaN以及分别含VN和VGa的GaN的电子结构和光学性质，计算结果表明，VN是一种施主缺陷，在p型GaN中有较低的形成能，并且在能带中引入由N-2p态和Ga-4p态杂化而成的浅施主能级；VGa是一种受主缺陷，在n型GaN中有较低的形成能，在能带中引入了三条来自N-2p态的受主能级，并且N-2p态产生自旋极化，磁矩为3μ。VN和VGa都使GaN的带隙增大，并且对

5、GaN的光学性质产生一定程度的影响。基于密度泛函理论的PBE+U方法我们计算了掺杂浓度为6.25%的Ce和Pr分别掺杂GaN的电子结构和光学性质。计算结果表明，Ce掺杂后在禁带中引入来自于Ce-4f态的局域能级；Pr掺杂后在价带顶引入了主要由Pr-4f态贡献的局域能级；掺杂后，GaN:Ce和GaN:Pr体系都变成间接带隙半导体并且带隙变窄，而且产生磁距，磁矩分别为1μ和2μ。掺杂后光学性质发生变化，GaN:Ce在低能区出现了新的介电峰和吸收峰，该峰来自带隙中的杂质能级到导带底的跃迁；GaN:Pr由于带隙变窄使第一个介

6、电峰和光吸收边发生了红移。我们进一步计算了CeGa与附近的VN和VGa组成的复合缺陷对GaN:Ce体系的电子结构和光学性能的影响。当GaN:Ce体系中有空位存在时，会在掺杂体系中引入了浅能级，VN空位引入了施主能级，并且使总磁矩减小到0.67μ；而VGa引入了受主能级，总磁矩增大到2μ，光学性质在一定程度上发生变化，与GaN:Ce相比，介电函数和光吸收系数的峰值发生轻微偏移。最后，我们计算了Gd掺杂GaN的磁性性质。我们发现，在GaN中Gd原子之间的耦合是反铁磁性的，当有足够的空穴载流子存在时能够稳定铁磁相，Ga空位

7、不是巨大磁矩的来源，间隙N缺陷和间隙O缺陷可能是巨大磁矩的来源。关键字关键字：关键字：：：GaN，密度泛函理论，稀土掺杂，电子结构，光学性质i稀土掺杂GaN的第一性原理研究FIRSTPRINCIPLESTUDYONRAREEARTHDOPEDGANABSTRACTWidebandgapsemiconductormaterialshavebeenattractingpeople’sattentionduototheirspecialphysicalandchemicalproperties.GaNhasexcellento

8、ptoelectricpropertiesandwidebandgapandisalsoanewsemiconductormaterialswhichcanbeusedtodevelopthemicroelectronicandoptoelectronicdevice.Overthepastdecades,itwas