MxZnxO(M=CdCa)带隙调整机理研究-光子学报.PDF

第37 卷 增刊 光 子 学 报 Vol.37 Sup.2 2008 年12 月 ACTA PHOTONICA SINICA December 2008 M Zn O(M=Cd, Ca)带隙调整机理研究* x 1-x 熊志华, 孙振辉, 李冬梅, 万齐欣, 刘国栋 （江西科技师范学院 江西省光电子与通信重点实验室，南昌 330038 ） 摘 要：利用第一性原理方法研究了M Zn O(M=Cd, Ca)合金的电子结构，阐述了M 掺杂 ZnO x 1-x 的带隙调整机理.研究表明，掺杂Cd 导致ZnO 禁带宽度下降，其机理是CdxZn1-x O 价带顶始终由 O2p 占据，而导带底部则由O2p、Cd5s 与Zn4s 杂化轨道控制，随着掺杂量x 的增加，导带底逐 步下降，出现红移效应.研究还表明，掺杂Ca 导致ZnO 禁带宽度增加，其机理是CaxZn1-xO 价带 顶仍由O2p 占据，而导带底部则Zn4s 控制，随着掺杂量x 的增加，导带底逐步升高，出现蓝移 效应. 关键词：光电子学；晶体结构；电子结构；密度泛函理论；M Zn O(M=Cd, Ca) x 1-x 中图分类号：TN304.9 文献标识码：A 0 引言 1 计算理论和方法 ZnO 在发光二极管、声表面波器件、气体探测 计算采用纤锌矿结构ZnO(2×2×1) 的超原胞模 器、荧光材料、光催化、压电材料、可变电阻以及 型，选取该超原胞主要是考虑到实际ZnO 晶体体相结 显示和太阳能用窗口材料等方面的应用显示出了巨 构的特征，同时也能满足计算时平衡掺杂比例与减 大的潜力，作为一种多功能材料而备受人们的关 少计算量的要求.超原胞模型由4个ZnO单胞组成，每 注[1-5].要实现ZnO 基光电子器件，除需实现有效的 个单胞包含2个Zn原子和2个O原子，一共16个原子. p 型掺杂外，必须使ZnO 基材料的带隙在较大的范 当其中一个Zn 原子被M 原子取代时，形成 围内可调.实验研究发现，在ZnO 中掺入Mg 可形成 M0.125Zn0.875O三元合金.改变超元胞中取代Zn原子的 Mg Zn O 合金，随着Mg 含量的增加Mg Zn O 合 M原子数目，就可以得到不同M掺杂量的M Zn O三 x 1-x x 1-x x 1-x [2] 金的禁带宽度可以由原来的3.3eV 增加到4.0eV ， 元合金(x=0, 0.125, 0.25, 0.5). 晶体结构优化和总能 引起蓝移效应.实验研究还发现[3-4] ，在ZnO 中掺入 计算运用VASP （Vienna Ab initio Simulation Cd 可以形成Cd Zn 合金，随着Cd 含量的增加，