Ta2O5能带结构与性质的第一性原理模拟

马 浩

(中国矿业大学 材料学院，江苏徐州 221116)

1 引言

由于Ta2O5具有许多优良的光电特性，使得它在众多领域都有广泛的应用。首先，Ta2O5是一种重要的薄膜材料。由于其是一种宽禁带化合物半导体材料，在可见光波长范围内，具有较低的光学吸收和较高的折射率，在波长550 nm处，折射率约为2.1，并且具有很宽的光谱透过范围(300 nm～10 μm)，因此被广泛的应用于各种光学器件，如增透膜、反射膜、干涉滤光片等。同时，由于其介电常数高、漏电流密度低和热稳定性良好，近年来在动态随机存储设备和金属氧化物半导体等领域的研究备受关注。

但是，尽管Ta2O5晶体具有很多优良的应用性能，对其本身性质的研究却并不充分，本文便着眼于Ta2O5晶体本征态和存在各种不同缺陷状态时的能带结构和态密度研究，分析不同缺陷对其光电性能的影响机理，并作出比较，为后续的研究做理论依据。

2 理论模型和计算方法

Ta2O5有几种常见的空间构型，本文采用晶格常数为a=12.7853，b=4.8537，c=5.5276，α = γ =90，β =104.264的单斜相的 Ta2O5进行计算，其空间群为 C12/c1，设置2x2x1的超晶胞。分别对本征态、O空位(Vo)、Ta空位(VTa)、O反替位Ta(Ota)和 O间隙(Oi)本征缺陷存在时的Ta2O5晶体的能带结构和态密度进行计算。从本征态Ta2O5晶体的能带结构图(图1)可知其带隙为2.486ev，其价带顶和导带底不在同一位置，说明该单斜相的Ta2O5晶体是一种间接带隙半导体。由Ta2O5晶体的分波态密度图可见(图2)，费米能级以下－18.5 ev到－15.5ev之间态密度主要来自O原子的S轨道电子，同时有少量d轨道电子的贡献;在－6ev到费米能级之间态密度主要来自于O原子的p轨道电子和和Ta原子的d轨道电子，此时费米能级处于价带内，费米能级处的态密度则主要来自于O原子的p层电子。

图1 本征态Ta2O5晶体能带结构和态密度图

当Ta2O5晶体中存在Vo缺陷时，其态密度和能带结构如图3所示，可知其带隙为1.143ev，与本征态Ta2O5晶体相比，其带隙明显变窄，且总的态密度图以及各个原子的分波态密度图(图4)相当于无缺陷Ta2O5晶体态密度图向左移动1.5ev，使其费米能级更靠近导带，从而影响其电学性能。同时Vo的存在导致其p层电子的贡献消失，使得费米能级下以及费米能级处的态密度整体略有降低。

存在VTa本征缺陷时Ta2O5晶体的能带结构和态密度如图5所示，可见其带隙为2.468ev，与无缺陷晶体相比基本无变化，费米能级靠近价带，不利于导电性能。同时，由分波态密度图(图6)分析有，在费米能级以下－27ev到－25.5ev区间内的态密度主要由O原子的S层电子贡献，少部分由O原子的p层电子贡献;在－15.5ev到－14ev能量区间内的态密度主要来自于O原子的S层电子;在－8.5ev到－6ev区间时其态密度主要由O原子的p层电子贡献;在－6ev到费米能级处的态密度主要来自于Ta原子的d层电子，并与费米能级相交。

图2 本征态Ta2O5晶体中Ta原子分波态密度图(a)和O原子分波态密度图(b)

图3 存在Vo的Ta2O5晶体态密度和能带结构图

图4 Vo缺陷态中Ta原子分波态密度图(a)和O原子分波态密度图(b)

图5 存在VTa的能带结构和态密度图

O反替位Ta即Ota这种本征缺陷存在时Ta2O5晶体的能带结构和态密度如图7所示，其带隙为0.533ev，与无缺陷的Ta2O5晶体相比明显减少，表明其导电与光学性能有较大变化;对于其态密度图(图8)，由以上分析可总结出其在－19 ev到 －16ev区间内态密度主要由O原子的p层电子贡献;在－6.5到费米能级处的态密度主要来源于Ta原子的d层电子。

最后，讨论了在Ta2O5晶体中存在O间隙(Oi)时的态密度和能带结构情况。如图9所示，存在O间隙缺陷时，费米能级靠近价带，其带隙变为1.868ev，与无缺陷Ta2O5晶体相比有所减少，表明O间隙的存在对晶体本身的电学和光学性能有一定的影响。再对其各原子的分波态密度分析(图10)，在费米能级以下－19 ev到 －16 ev能量区间内，态密度主要由O原子的s层电子贡献;在－7.5 ev到费米能级处区间内则主要由Ta原子的d层电子和O原子的p层电子共同贡献。

图7 存在OTa缺陷的Ta2O5晶体的能带结构和态密度图

图8 VTa缺陷态存在时Ta2O5晶体的分波态密度图

图9 存在Oi缺陷时Ta2O5晶体的能带结构和态密度图

根据以上研究，对不同缺陷态中的带隙进行对比分析后可得，O反替位Ta(OTa)缺陷存在时Ta2O5晶体的带隙值降低了78.56%，O空位(Vo)和O间隙(Oi)缺陷存在时带隙值分别降低了54.02%和24.86%，Ta空位(VTa)缺陷存在时带隙值只变化了0.72%。同时考虑到各种缺陷的缺陷形成能不同，其各类缺陷存在的几率大小也不同，因此对各类缺陷在本征晶体中的存在状态还需要进一步的研究。

图10 Oi缺陷态中Ta原子分波态密度图(a)和O原子分波态密度图(b)

3 结论

分别计算了本征态Ta2O5晶体以及存在O空位(Vo)、Ta空位(VTa)、O反替位Ta(Ota)和O间隙(Oi)本征缺陷时Ta2O5晶体的态密度和能带结构，O反替位Ta(OTa)缺陷存在时Ta2O5晶体能带结构的带隙值影响最大，其降低了78.56%，说明O反替位Ta缺陷存在时对Ta2O5晶体的光电性能影响最大，其次是O空位(Vo)和O间隙(Oi)，分别降低了54.02%和24.86%，而Ta空位(VTa)的存在对带隙值影响最小，只有0.72%。

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