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《清华大学》 2009年
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ZnO中掺杂与扩散性质的第一原理研究

黄贵洋  
【摘要】: 在本文中,我们基于第一原理密度泛函理论的计算方法,研究了ZnO中本征点缺陷与掺杂原子的掺杂和扩散性质。我们通过势垒计算,从动力学性质的角度进行了系统研究。 首先,我们对形成能计算中的一类主要的修正方法(LDA (GGA)+U)[1]进行了详细测试。通过Zn空位和O空位迁移能级的系统计算,我们发现,迁移能级线性依赖于U值。然后广泛计算了n型和p型替位缺陷的迁移能级,发现,修正前后的迁移能级的相对位置基本不变,NO(N占O位)缺陷的迁移能级的修正值过大(0.9 eV),表明该类修正方法的定量结果仍存在问题。 我们通过CI-NEB的计算方法研究了ZnO中本征点缺陷的扩散性质,发现Zn间隙能有效地通过interstitial mechanism和kick-out mechanism进行扩散,扩散势垒约0.3-0.5 eV。Zn空位与O split间隙的扩散势垒约1 eV。O八面体间隙通过kick-out mechanism扩散的势垒约0.5 eV。O空位的扩散势垒敏感依赖于电荷态,+2电荷态的约1.5 eV,中性电荷态时约2.5 eV。扩散均基本各向同性。计算结果,能解释ZnO的高抗辐射能力。 随后,我们应用CI-NEB的计算方法研究了B,Al,Ga和In在ZnO中扩散的空位机制,获得了相应的有效扩散势垒值,对理解扩散实验结果有基本的价值。 我们进一步采用CI-NEB的计算方法研究了ZnO中Li,Na,K和Ag间隙的稳定性和扩散性质,发现Li,Na,Ag间隙相当稳定,需要克服大于1.6 eV的势垒才能占据Zn位。K间隙相对不稳定,需要克服约0.8 eV的势垒才能占据Zn位。Li,Na,K和Ag间隙均十分容易扩散,其中Li间隙的扩散基本各向同性,Na,K,Ag间隙的扩散存在明显的各向异性。基于同样的方法,研究了N,P,As和Sb间隙的稳定性,发现N,P,As间隙相当稳定,其中N间隙不容易扩散,P,As间隙十分容易扩散。Sb间隙倾向于采取挤Zn离位的构型。 我们提出了一种新的研究缺陷能级的计算框架,即把施主和受主点缺陷放在同一个超原胞中,然后观察它们之间的电荷转移情况。
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TN304.21

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