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《昆明理工大学》 2009年
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ZnO表界面及其相关特性的第一性原理研究

王立惠  
【摘要】:氧化锌(ZnO)是一种纤锌矿结构的Ⅱ-Ⅵ族宽带隙半导体材料,具有优良的物理和化学性质,其室温禁带宽度为3.37eV。ZnO目前广泛应用于压电传感器、变阻器、气敏元件及光电和微电子产业中具有重要价值的透明导电膜。由于氧化锌具有较高的激子束缚能(60meV),因而被认为是制作紫外半导体激光器的候选材料。自1997年首次发现ZnO室温紫外受激发射以来,ZnO研究已成为继GaN之后紫外发射材料研究的又一研究的热点课题,是一种极具发展潜力的半导体材料。近年来,随着计算机技术的发展和计算理论的进步,计算材料已成为现代材料科学研究的重要手段,本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了如下几个方面的内容: 1.从ZnO表面原子结构、电子结构两个方面研究了ZnO低指数的清洁表面及过渡元素吸附的静态微观结构,并得到ZnO表面吸附的一些有关数据,结果分析表明:(1)在Zn终止面,过渡元素原子易吸附在面心空位处,而在O终止面,则易吸附在O原子的顶位;Ni原子在ZnO极性面的吸附能最大,而Zn在几个高对称点的吸附能都为最小。(2)从电子结构看到,ZnO(0001)面的过渡元素吸附,使得表面态有所减少,吸附后的能带结构更接近ZnO体相能带结构;在ZnO的(0001)面,吸附使表面金属化特性更加明显。(3)ZnO(1010)表面弛豫后,Zn原子向体内移动幅度明显,表面Zn-O二聚体发生扭曲,当该表面吸附Ti后空间电荷重新分布,表面形变减小,并使ZnO(1010)表面发生金属化转变。(4)ZnO(1010)面因其是非极性的,在Ti原子吸附后,诱导表面产生间隙态,且是浅的施主态,使表面表现处带隙进一步减小,表面金属性得到明显的增强。(5)ZnO(1120)面的电子结构与ZnO体内的极为相似,但Ti原子和O原子中问区域负电荷密度极高,Ti-O反映出较强的共价成键特性,且明显强于Zn-O键,因Ti外层电子向O转移有限,表层负电荷分布区域大,使表面表现出一定的金属性特征。 2.本文计算并详细分析了Ni/ZnO接触体系的几何及电子结构,探讨了Ni扩散及Cr掺杂对Ni/ZnO接触的导电特性的影响,认为Ni或Cr因发生自旋分裂,从能带或自旋角度讲,都会对该体系的电导行为产生影响。 3.对ZnO[0001]/(1230)∑=7对称倾侧晶界进行了研究,发现理想的ZnO[0001]/(1230)∑=7晶界不能形成晶界势垒,但Fe元素的偏析有助于势垒的形成。 4.研究了层结构ZnO陶瓷的晶界电子结构,发现不同元素掺杂的组分制成层结构ZnO压敏陶瓷时,由于非对称的晶界势垒的形成,可提高其非线性特性,降低漏电流。 5.通过对过渡族元素掺杂对ZnO陶瓷电性能影响研究,我们发现,过渡族元素掺杂对ZnO电性能的影响,不仅与电子的能级有关,也与其自旋特性紧密相连,即电导过程还包括自旋相关散射和自旋相关跳跃电导两个机理。
【学位授予单位】:昆明理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TN304.21

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【参考文献】
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