IVA元素摻雜的ZnO的電學和光學性質
基于密度泛函理論的總體能量平面波模守恒贗勢方法,對摻雜Si、Ge、Sn的ZnO的電導率和光學性質進行了理論研究。結果表明,摻雜后晶格常數隨著雜質原子序數的增大而增大。IVA族元素對Zn的替代可以提高ZnO的載流子濃度和電導率。ZnO∶Si的載流子濃度最大,ZnO∶Sn的電導率最大。IVA族元素對Zn的替代使得ZnO的吸收和反射都降低。此外,摻Sn的ZnO由于在可見光區吸收小和反射小,更適合用于制備高質量的透明導電氧化物。理論計算的結果與實驗結果相一致。
關鍵詞： ZnO;電導率;光學性質;透明導電氧化物
ZnO 是一種直接帶隙寬禁帶半導體材料, 室溫下禁帶寬度為337 eV, 激子束縛能為60 meV ，是典型的n 型極性半導體, 穩定相是六方纖鋅礦結構。它是一種多功能材料, 在紅外器件、傳感器、光電器件等許多方面都有很大的應用前景。由于ZnO在可見光區具有很高的透過率, 所以可以用于制作透明導電氧化物(TCO) 。目前研究最多的是摻雜IIIA族元素Al、Ga、In 的ZnO。這些主要是通過提高載流子的濃度來降低電阻率。王三坡等和李喜峰等 制備的ZnOMo 和In2O3: Mo 薄膜載流子濃度較低, 但他們通過增大載流子的遷移率也降低了薄膜的電阻率。
對于IVA 族元素來說, Si、Ge、Sn 為間接帶隙半導體, 并且間接帶隙和直接帶隙之間的能量差很小,導致帶隙周圍的電子結構很容易改變。同時由于Si、Ge、Sn 外圍有4 個電子, 比IIIA 族元素外圍的電子數多, 摻雜后有望獲得更高的電子載流子濃度和更高的電導率, 而且在可見光范圍內透過率很大, 所以可作為高質量的透明導電氧化物。
本文用Material Studio5. 5 中的CASTEP 模塊對Si、Ge、Sn 摻雜的ZnO 的電導率和光學性質進行了比較, 得出了ZnO叜渀 更適合作透明導電氧化物。并用實驗進行對照, 驗證了理論計算的正確性。
本文基于密度泛函理論對摻Si、Ge、Sn 的ZnO的電導率和光學性質進行了比較。替位摻雜后由于雜質離子半徑逐漸增大, 所以晶格常數逐漸增大。替位摻雜后的自由載流子的濃度增加了, 而且比摻IIIA 族元素得到的自由載流子濃度高。與純ZnO 相比, ZnAO( A= Si、Ge、Sn) 的介電函數吸收峰數目減少了, 吸收減弱, 而且最強的吸收峰均紅移至6.0 eV附近。摻雜后的反射率降低了, 反射最大值向低能端移動。由于摻Sn 的ZnO 電導率最大, 在可見光區的吸收最小, 反射也很小, 電導率最大, 所以相比之下ZnO-Sn 更適合用來制備高質量的透明導電氧化物。用實驗對計算得到的結論進行了驗證, 理論結果和實驗結果相符。
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