N掺杂于ZnO中化合价变化的第一性原理研究.pdfVIP

( ) 第 32 卷第 1 期 江西师范大学学报 自然科学版 Vol. 32 No. 1 ( ) 2008 年 2 月 　 JOURNAL OF J IANGXI NORMAL UNIVERSITY NATURAL SCIENCE 　Feb. 2008 ( ) 文章编号 2008 N 掺杂于 ZnO 中化合价变化的第一性原理研究 刘慈仁1 ,3 , 　熊志华2 ,3 , 　欧阳小芳1 ,3 , 　雷敏生1 ,3 ( 1. 江西师范大学 物理与通信电子学院 ,江西 南昌　330027 ;2. 江西科技师范学院 通信电子系 ,江西 南昌　330013 ; 3. 江西省光电子与通信重点实验室 ,江西 南昌　330027) 摘要 ∶该文采用第一性原理赝势法研究了氮掺杂于 ZnO 中其化合价变化的情况 ,研究结果表明氮掺杂于 ZnO 中取代氧原子的氮原子其受主态并非是整数 - 3 价 ,而是介于 - 2 与 - 3 价之间 ,这就说明了为什么 氮掺杂所得的 ZnO 其 p 型导电较弱的原因. 关键词 ∶第一性原理 ;ZnO ;化合价 ;氮掺杂 ZnO ;受主态 中图分类号 ∶O 641. 13 　　　文献标识码 ∶A ZnO 是一种很有前途的半导体发光材料 ,但 目前的应用尚受到限制 ,其主要原因是没有制备出具有商业 价值的p 型 ZnO 材料. 相比之下 ,n 型 ZnO 容易获得 ,甚至没有掺杂的 ZnO 也表现出本征的n 型导电,其电子 21 - 3 ( ) 浓度达 10 cm 详见文献[1 ] . 然而p 型 ZnO 却很难制备 ,其困难来 自以下原因:掺杂物可能被低能本征 ( ) [2 ] ( ) 施主缺陷 例如锌填隙 Zni 或 VO 所补偿 ,或者被背景杂质氢 H 所补偿. 掺杂物在宿主材料中的溶解度低 [3 ] 是难以形成p 型材料的另一个原因 . 深杂质能级也是引起p 型掺杂难以进行的一个因素 ,它对形成浅受主 能级有明显的阻碍作用. 在 ZnO 所有可能的受主态掺杂物中氮是最佳的候选元素 ,它不像第五族的其它元 ( ) [4 ] ( ) 素 P ,As ,Sb ,Bi 容易占据锌位 ,形成施主态 ;也不像第一族的元素 Li ,Na ,K 容易占据间隙位 ,也会形成施 主态 ,故而氮元素作为 ZnO 的p 型掺杂物比较合适. 在实验中 ZnO 掺氮所形成的受主态比较弱 ,可见其中的 ( ) 氮原子没有电离成受主态所需的价态 即 - 3 价 或者只是部分电离部分未电离. 在本文中我们基于第一性 原理计算的结果将提出一种新的观点 :氮掺杂于 ZnO 中其化合价将介于 - 2 与 - 3 价之间 ,而比较稳定的还 是 - 2 价 ,这种价态限制了氮的受主作用的发挥故而难以体现较强的受主态. 1 　理论模型和计算方法 ( ) 　　计算中我们选取纤锌矿结构 ZnO