JOURNALOFZHONGYUAN UNIVERSITYOFTECHNOLOGY Vol.23 No.3
,Jun.2012
()1671-6906201203-0034-05 文章编号:
Be掺杂浓度对ZnBeO体系电子结构的影响
张 牛1,刘亚明2,张文庆2,侯振雨2
()中原工学院,郑州4河南科技学院,新乡41.50007;2.53003
摘 要:计算了Z结果表ne52种不同几何构型. 采用基于密度泛函理论的第一原理方法,16-nBnO16掺杂体系所有的6明:掺入Z不出现聚集,与实验中没有观测到Z掺杂浓度nO的Be原子均匀分散,nO和BeO出现相分离这一现象吻合;掺杂的B此时体系处于最稳状态;优化B为25%、50%和75%时,e原子均匀对称地分布在32个原子组成的超原胞中,e’L浓度从0到1获得的晶格参数与实验值吻合较好,符合V得到的00%的掺杂体系几何结构,eardaw拟合带隙曲线,g禁带弯曲系数b为5.76eV.
关 键 词:第一原理.e掺杂;ZnO; B
:/中图分类号:474 文献标志码:OI10.3969.issn.1671-6906.2012.03.007 O A Dj
nO是一种新型的直接宽带隙纤锌矿半导体材 Z
料,室温下禁带宽度达3.激子结合能637eV,0meV,具有低介电常数和高化学稳定性等特点.这使得ZnO广泛应用于发光二极管、光电探测器以及生物传感器
]1-3等领域[.
杜祖亮教授的科研小组ZnO相分离.gg1-xMxO中M
发现从理论上详细研究了Mg掺杂增大带隙的情况,掺入的M导致导带及导带g的2p电子态优势明显,
底向高能端移动,且Z带隙增nO的4s电子态下降,
9]宽[和M.O相比,BeO具有和ZnO一样的纤锌矿g结构,因此被认为应用潜力巨大,目前也有很多这方
由于纯净Z要想实现nO仅在紫外波段发光,
则需要对其进行带ZnO在光电子器件中的广泛应用,
隙调制.这是目前Z也nO应用方面遇到的一大困难,是研究热点.为了实现可见区发光,则要减小其带隙;为了获得紫外短波光谱和制造量子阱、超晶格,则要
[]增大其带隙.虽然带隙仅为2.3eV4的CdO掺入
()面的报道.KhoshmanJM等利用反应溅射在Si100 衬底上成功生长出了Z而且通过改变BnBeO薄膜,e浓度可以将带隙调宽至7.但随后的X-射线91eV,
10]
衍射谱显示该薄膜是非晶态[.RuYR等在采用混 y
合束沉积法(制备的hbridbeamdeosition,HBD) yp而且BZnBeO薄膜中没有发现ZnO或BeO相分离,e
[1]浓度可以从0增加到100%1.DinSF等和 g
但是通过调节CZnO后能减小其带隙,d的掺杂含量,可使ZnO的发光波段从紫外波段红移到蓝光波段甚至绿光波段.由于C掺杂CdO是岩盐结构,d后的在xZnd.62时能保持纤锌矿结构,1-xCxO在x小于0
[]
大于0.62时则出现相分离5.MO和BeO的带隙分g[][]别为7.是增宽Z20eV6和10.60eV7,nO带隙的理
ZhenYP等借助第一原理详细计算和讨论了ZnBeO g
]12-13
,的电子结构及光学特性[但对掺杂体系的结构
信息如掺杂浓度对ZnBeO体系稳定性的影响、Be原子的最稳定占据位置以及在稳定掺杂体系中Be原子易于聚集还是分散等没有加以分析讨论.本文采用基于密度泛函理论的第一原理方法,通过计算0~100%掺杂浓度下B研究Ze在不同替位的构型,nBeO的相关结构信息.
想材料.OhtomoA等利用激光分子束衍射方法在Si 衬底上制备出了带隙可增宽至3.99eV的ZnMO薄g
8]
,但由于M研究发现,当膜[O也是岩盐结构,g
会引起Zn33时,gg含量x大于0.1-xMxO中的M
2012-04-03 收稿日期:
);)河南省基础与前沿技术研究计划项目(河南省教育厅科技攻关计划项目(1023004101282011B140008 基金项目:
,张 牛(男,河南郑州人,硕士.1981-) 作者简介:
第3期张 牛,等:Be掺杂浓度对ZnBeO体系电子结构的影响
·35·
1 计算方法
理想的ZnO属六方纤锌矿结构,其中每个
2+2-2-2+
()()位于4个O组成的四面体中心,ZnOZn即ZnO晶体由O的六角密堆积和Zn的六角密堆积相互反向套构而成.每个原胞由2个Zn原子和2个O原子共4个原子组成,计算中采用的2×2×2超原胞由16个Zn原子和16个O原子组成,Be掺杂即Be原子替换Z如图1所示.n原子形成ZnBeO合金,
aterialStudio4.6中的CASTEP模 本文采用M
块进行计算.CASTEP是一个基于密度泛函理论(并参考平面波赝势方法的从头量子力学计算DFT)程序包,广泛应用于金属、非金属等掺杂半导体电子结
14]
,是目前公认的较为精准的计构和光学特性的研究[
算工具.计算中采用的电子波函数通过平面波基组展电子与电子间相互作用的交换关联能由广义梯度开,
近似(下的P用超软赝势GGA)BE泛函来处理,
(方法来描述离子实与价电子间的相互作用USPP)势,平面波截断能E布里渊区的积分使80eV,cut取为3用MonkorstPark方案中3×3×1的特殊k点网格求-,和.快速傅立叶变换(采用FFFT)ine(40×40×64)/原子间相互作用力收敛标准设为0.3eVnm.
2 结果与分析
2.1 ZnO和BeO的电子结构
为研究B本文首先对Ze掺入对ZnO的影响,nO和B采用前面的参数设置,eO的晶格结构进行优化.让晶胞中所有原子在固定截断能和许可基失数目变化优化得到的理论值和参考的实验的条件下自由弛豫,
从表1可以看出,理论计算的优化结果与实值见表1.
误差均在2%以内.计算结果与其他第验值吻合较好,
一原理计算结果也吻合较好,说明我们设置的参数和此后的计算均采用优化后采用的算法是合理有效的.的参数.
图2、图3所示分别是ZnO和BeO的能带结构和态密度.从图2、图3可以看出,导带底和价带定位于布里渊区G点处,即Z计算nO是直接带隙半导体.远低于实验测量值得出的禁带宽度为0.74eV,
表1 ZnO、BeO优化后的晶格参数a、c及晶胞体积Vcell
/anm
优化值
ZnO
15]
实验值[
/cnm 0.5298 0.5206 0.4473 0.4376
/ca 1.614 1.602 1.624 1.622
3
/Vcnmell
0.3283 0.3249 0.2754 0.2698
0.0495 0.0476 0.0294 0.0276
优化值
BeO
16]
实验值[
17]
这是第一原理计算中普遍存在的问题[计3.37eV,.图3显示B与eO的禁带宽度最窄处出现在G点,计算得出ZnO一样.BeO也是一种直接带隙半导体,
的禁带宽度为7.低于实验值1由于01eV,0.60eV.低估了禁带宽度,故本计算结果DFT属于基态理论,
对于Z算中无论采用LDA还是GGA,nO而言都高估了Z造成Zn3d能量,n3d能量与O2 p能量之间的相使得价带增宽、带隙变窄.互作用变大,
·36·
中原工学院学报2012年 第23卷
图4 不同掺杂浓度下的形成能
/与此对应的Z掺0.5816eVatom.nBeO构型见图1, 杂的B对于由4e原子均匀对称地分散在该超原胞中.个Z高对称掺杂构型为:nO双层原子构成的超原胞,n原子中有1个Be原子替换,Be原子占据四①每层Z
边形锐角顶点位置,侧视呈“之”字型;n原子②每层Z中有2个Be原子替换,Be原子处在四边形的长对角线顶点位置;n原子中有3个Be原子替换,③每层Z与此3Be原子占据四边形锐角顶点位和一个钝角位.种高对称掺杂构型对应的B即e原子个数为4、8、12,掺入Z总是处于“最佳”nO的Be原子不会出现聚集,分散状态.该结论较好地解释了“没有观测到BeO与这一实验现象.ZnO出现相分离”
为了更直观地看出ZnBeO掺杂体系是否易出现我们又选出相同掺杂浓度的“相分离,Be密集掺杂构型”作对比.Be原子个数为4、8、12的掺杂构型分别
]与其他D文献[中禁带宽度为FT计算结果相一致(18]文献[中禁带宽度为7.7.56eV,1900eV).nBeO的掺杂结构2.2 Z
本文采用2×2×2共32个原子的超原胞模拟…,其中n值可取1,对ZnBe2,16,16-nnO16掺杂体系,
应的B根据排列组合,该掺e掺杂浓度从0到100%.
16杂体系共有2考虑到Z=65536种构型.nBeO掺杂
为:e原子组成1个四面体;e原子组①4个B②8个B成相邻的2层,即2个互相倒置的四面体;2个Be③1原子组成相邻的3层原子.相关的吸附能分别为///0.4971eVatom、0.4842eVatom、0.4975eVatom,
,明显偏小于“分散掺杂构型”即“密集掺杂构型”不易获得,分散构型”出现.ZnBeO掺杂体系总是以“nBeO掺杂体系的晶格参数和带隙2.3 Z
优化不同B分散掺e掺杂浓度下的ZnBeO结构,、(杂构型的晶格参数a(和禁带宽度见图5.由于n)cn)Be原子半径为0.14nm,小于Zn原子的半径
导致随着掺杂浓度增加,晶格参数0.153nm,、(均呈递减趋势.从图5可以看出,计算所得a(n)cn)
’晶格参数呈线性变化,符合VerardsLaw拟合带隙 g曲线.
与ZnMO掺杂体系相比,ZnBeO体系有望在很大g程度上增大带隙,实现ZnO基器件在光电领域的突破.因此,禁带宽度EnBeO掺杂体系的又一个重要参g是Z
体系属于P该掺杂体系构型可约化为63mc空间群,652种.
掺杂体系形成能采用E16-n)E(ZnO)+f=(
[]20
形成能数值越大,说明nE(BeO)-E(Zne.16-nBnO16)
成键原子间的相互作用越强,掺杂体系越稳定.1个Be
/原子替代1个Zn原子后,Be的掺杂浓度为116=不同掺杂浓度下的形成能见图46.25%,.从图4可清晰地看出:即掺杂的Be掺杂浓度为25%、50%、75%时,、、Be原子个数为4812时,ZnBeO体系将出现稳定态,
//形成能分别为0.5771eVatom、0.5878eVatom、
第3期张 牛,等:Be掺杂浓度对ZnBeO体系电子结构的影响
·37·
度;其大小表明体系的带隙相对于b是禁带弯曲系数,)图5(所示是带隙随BBeO和ZnO的偏离程度.be浓
度变化的拟合曲线,拟合用的带隙值为同一浓度下最稳构型的带隙值.计算得出ZnBeO的最稳定构型带隙这个结果与已有的理论计算结果相值b为5.76eV,
11,22]吻合[.
主要Be的掺入能极大增宽ZnBeO体系的带隙,是由于ZnBeO体系价带主要由O2n3d电子态 p和Z随着B组成,e掺杂浓度的增加,Zn在体系中占的比重下降,导致价带向低能端移动,使得带隙增宽.
3 结 语
本文采用基于密度泛函理论的第一原理计算,详细计算了Be掺杂浓度为0~100%的ZnO的652种可能构型.通过比较不同构型的总能量,发现同一掺杂浓掺入Z度下的不同构型中,nO的Be原子不会出现聚集,总是处于分散状态,即Be原子掺杂总是以分散掺杂构型出现.这一结论与实验中观测到的ZnBeO体系无相分离一致.对Be掺杂浓度为25%、50%、75%时,应的B此时掺入的Be原子数为4、8、12,e原子均匀对称地分散在3此时的Z2个原子构成的超原胞中,nBeO掺杂体系最稳定.通过对其几何结构进行优化,获得的
数.ZnBeO掺杂体系的带隙随Be浓度的变化公式为:
[]21
其中,,,Ex)=xE1-x)Ebx(1-x).BeO+(ZnO-g(gg
/,,x=n16;EeO和ZnO的禁带宽BeO和EZnO分别是Bgg
’晶格参数与实验值吻合较好,符合VeardsLaw拟合 g通过对掺杂体系的带隙的拟合,获得的禁带带隙曲线.
弯曲系数与已有结论吻合较好.利用Be掺入调制
有望促进ZZnBeO带隙,nO在光电领域的应用.
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:structuresoftheZnBestemareinvestiated.TheresultsindicatethatthedoedBeatomsinZnO ygp16-nnO16s
,arehomodiserseddon’taeartoether.Thiscoincideswellwiththeexerimentthatonecan’tfindthe - pppgphasesearationbetweentheZnOandBeO.Whendoindensitare25%,50%and75%,thedoedBeat -pppgyp
,omsaredistributedsmmetricallinthe32atomsuercellandthedoinsstemsareinmoststeadstate.As - yyppgyy
Becomositionvarsfrom0to100%,thecalculatedlatticeoftheotimizeddoinstructuresthearameters pyppgp ,’areinareementwiththeexerimentsandobetheVeardsLaw well.Fittinthebandathebowood -gpygggp,g incoefficientbisabout5.76eV. g
:;KewordsedoinZnO;firstrincile B pgppy
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