间隙掺杂中掺Au浓度对ZnO物理特性的影响

朱婷

（西南石油大学理学院，成都610500）

1 引言

作为一种直接带隙的氧化物半导体，ZnO具有很高的激子束缚能，其能隙宽度为3.37eV，同时具有较低的介电常数、较高的热学及化学稳定性，因此在很多领域被广泛地应用。ZnO作为掺杂基底的研究已备受关注，论文将Au以间隙掺杂的方式掺入ZnO材料中，采用密度泛函理论的第一性原理系统地模拟计算掺Au浓度对ZnO物理特性的影响，为其Au在掺杂ZnO的研究领域提供了一定的参考。

2 计算模型及方法

为探讨不同掺杂浓度对ZnO物理特性的影响，建立三种不同大小的ZnO超晶包：2×2×2、2×2×1和2×1×1。不同大小的晶包正是反映了不同的浓度，对于每种晶包只需将一个Au原子掺入ZnO晶体的间隙中，而这个间隙位置尽可能选择超晶包的中心处。由此得到不同掺Au浓度的ZnO模型，三种掺Au浓度及掺杂位置如表1所示。

在计算前需分别对建立的三种超晶包模型进行几何优化，使其达到最稳定的晶体结构。在Kohn-Sham 能量泛函形式中，选择广义梯度近似（GGA）的PBE 处理电子间的交换关联能，采用超软赝势平面波选择基函数，平面波截断能量为Ecutoff=300eV，采用1×1×1 的Monkorst-park 特殊K 点对全Brillouin 求和，整个计算都在倒易空间中完成。此外，在参数设置中，自洽收敛能的精度为2.0×10-5eV/atom，最大位移为0.002A◦，晶体内应力收敛标准为0.05GPa，原子的相互作用力收敛标准为0.05eV/A◦。

3 计算结果和分析

3.1 掺Au后ZnO的电子结构

通过表1数据可以看出，对于任一大小的ZnO超晶包，间隙掺Au后ZnO的系统总能总是低于替位掺Au后ZnO的系统总能，这说明Au原子以填隙的方式掺入ZnO比以替位的方式更稳定[1]。此外，从Au的得失电子数可以看出，替位掺杂中的Au总是得电子，因此得到N 型半导体，而间隙掺杂中的Au总是失电子，其中2×2×1 中的Au失电子数最多，因此得到P 型半导体。

表1 替位掺Au与间隙掺Au后ZnO的系统总能及Au得失电子数

为了得到掺杂后ZnO晶体的电子结构，本文利用CASTEP 软件分别计算了三种不同掺杂浓度下晶体的能带结构和总态密度，具体结果如图1所示。

图1 三种不同掺杂浓度下晶体的能带结构和总态密度

通过计算能带结构图中的导带底和价带顶对应的能量值，可以得到三种掺Au浓度的ZnO能带带隙，其计算结果如表2所示。

表2 间隙掺Au后的ZnO能带带隙

图2 间隙掺杂中ZnO能带带隙随掺Au浓度的变化曲线

图2表明，随着掺Au浓度的增加，ZnO带隙呈逐步减小再增大的趋势，类同抛物线。通常情况下，晶体的能带带隙越小，则材料的金属性越强，电阻率越小，因而导电性越强。图中，当掺Au浓度为8.75～9.69at.%范围时，ZnO带隙小至可忽略，此时ZnO的导电性达到最强效果。

3.2 掺Au后ZnO晶体的光学性质

图a、b、c 分别对应3.125at.%、6.25at.%和12.5at.%三种不同掺杂浓度。

利用Origin 软件计算，其对应的能量值如表3所示。

表3 掺杂晶体的光谱峰对应能量

由表3可以看出，随着掺Au浓度由6.25at.%增加至12.5at.%，ZnO晶体的吸收谱均有一个峰，峰值逐步变得更锐利，且对应的能量也呈逐步增大的趋势。当掺Au浓度降至时3.125at.%，吸收谱中出现了两个峰，且两峰的强弱接近，对应的能量分别为8.15eV和11.45eV。对于反射谱，当掺Au浓度到12.5at.%时，只有一个峰，峰值逐步变得平缓，所对应的能量则随之增大。而当掺Au浓度为3.125at.%时，反射谱中也出现了两个峰，两峰的强弱差异明显，对应的能量分别为8.41eV和12.53eV。

图3 掺杂ZnO的光学吸收谱和反射谱

4 结论

为探讨掺Au浓度对ZnO物理特性的影响，本文建立了2×1×1、2×2×1和2×2×2 三种不同大小的ZnO超晶包，对每种晶包仅掺入一个Au原子，由此完成掺杂模型的构建。理论方面，以密度泛函理论为基础，选择广义梯度近似（GGA）的PBE处理电子间的交换关联能，采用超软赝势平面波选择基函数，运用CASTEP 软件完成了晶体能带结构、态密度以及光学性质的计算和分析。