本文選題：ZnO + BeMgZnO�。� 參考：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：ZnO是一種寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體材料,其室溫下帶隙寬度為3.37 eV,并且激子束縛能高達(dá)60 meV。這些優(yōu)異的光學(xué)性能使ZnO在紫外(UV)光電器件領(lǐng)域具有非常巨大的應(yīng)用前景,例如可以用來制備LED和紫外探測器。近年來,在這些潛在應(yīng)用中,ZnO作為潛在的R盲探測器材料日益受到研究者們的關(guān)注。目盲探測器是指可以工作在目盲波段的光探測器,該波段的光子的能量范圍為4.4～5.6eV(對應(yīng)波長280～220 nm)。很明顯,ZnO晶體的帶隙仍然偏低,并不能滿足這一要求,必須對ZnO的帶隙進(jìn)行調(diào)節(jié)。為此,研究者們就提出可以將ZnO與同為Ⅱ-Ⅵ族氧化物半導(dǎo)體的MgO和BeO進(jìn)行合金化。不過,獲取高質(zhì)量且?guī)段挥谀棵^(qū)間的ZnO基材料仍然是十分困難的事。此外,ZnO的p-type摻雜一直嚴(yán)重地制約了其在光電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用。本論文就Be、Mg摻雜的ZnO基材料的物理性質(zhì)以及ZnO中p-type導(dǎo)電性進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的研究。本論文共分為六個章節(jié)。在第一章中,我們總結(jié)了近年來關(guān)于ZnO基目盲探測器材料和ZnO中p-type摻雜的研究進(jìn)展。在第二章中,我們簡單介紹了本論文計算中所使用到的集團(tuán)展開方法和SQSs方法。在第三章中,通過理論計算以及實驗方法,我們研究了 Be_xM_gyZn_(1-x-y)O合金的相變問題。我們發(fā)現(xiàn)隨著Be組分的增加,纖鋅礦BexMgyZn1-x+yO合金中可摻雜Mg組分的極限值也在不斷增加。通過計算,我們獲得了相變點處合金的帶隙隨著Be、Mg濃度變化的基本趨勢。同時,在理論的指導(dǎo)下,成功地制備出了帶隙值位于目盲區(qū)間的Be_xM_gyZn_(1-x-y)O合金材料。另外,通過將第一性原理計算和集團(tuán)展開方法相結(jié)合,我們深入地研究了有限溫度下Be_xM_gyZn_(1-x-y)O合金中的相分離問題。我們發(fā)現(xiàn)BexMgyZr1-x+yO合金的相分離行為由Be組分主導(dǎo)。在合金的分離相中,Be1/3Zn2/30依舊是一種寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體材料,其帶隙值為4.88eV,是一種很有前景的目畝探測器材料。在第四章中,我們研究了 Be,Mg摻雜ZnO中雜質(zhì)的物理性質(zhì)。通過第一性原理計算我們發(fā)現(xiàn)間隙Be原子(Be1)更傾向在ZnO中的原子基面內(nèi)遷移。在遷移過程中,Be1可以和替位Be原子(BeZn)相結(jié)合形成缺陷復(fù)合體(2Be)Zn,由此導(dǎo)致ZnO基質(zhì)中的Be原子聚集。然而,替位Mg原子(MgZn)可以破壞缺陷復(fù)合體(2Be)Zn的穩(wěn)定性。因此,在Be摻雜的ZnO中加入Mg雜質(zhì)可以有效的抑制Be組分的聚集,這極大地改善了Bc在調(diào)節(jié)ZnO帶隙過程中所能起到的作用。此外,借助于第一性原理方法,我們還系統(tǒng)地研究了 Be摻雜ZnO中激子束縛能增大的問題�；趯ο到y(tǒng)電子結(jié)構(gòu)的分析,我們發(fā)現(xiàn),Be摻雜ZnO中激子束縛能的增大主要是由Be雜質(zhì)對系統(tǒng)電子態(tài)分布所產(chǎn)生的長距離擾動所引起的。在第五章中,我們研究了淺受主缺陷復(fù)合體在N摻雜ZnO體內(nèi)和表面生長過程中的形成機(jī)理。基于第一性原理計算,我們發(fā)現(xiàn)通過電荷轉(zhuǎn)移以及受主能級與受主能級之間的排斥作用,淺受主缺陷復(fù)合體NO-V_(Zn)可以很容易地在N摻雜ZnO中形成。更重要的是,NO-V_(Zn)經(jīng)過氫化之后可以變得更加穩(wěn)定。而氫化后形成的(NO-nH)-V_(Zn)(n=1-2)都是淺受主缺陷,離化能都不超過162 meV,與實驗觀測值符合地非常好。此外,我們還發(fā)現(xiàn),即使No-V_(Zn)可以在ZnO的表面形成,但隨其沉積到表層原子的下方,NO-V_(Zn)就無法穩(wěn)定存在。然而,氫化的NO-H-V_(Zn),不僅可以在ZnO的表面很輕易形成,而且還可以隨著表面生長而順利地沉積到ZnO的內(nèi)部穩(wěn)定存在。我們的研究結(jié)果表明,引入恰當(dāng)濃度的H對于實驗上制備高質(zhì)量p-type導(dǎo)電性的N摻雜ZnO具有非常重要的意義。在第六章中,我們系統(tǒng)地研究了在表面生長過程中Be雜質(zhì)對N摻雜的輔助作用。我們發(fā)現(xiàn),Be-N dimer和ZnO表面的臺階區(qū)域的Be雜質(zhì)可以有效地增強(qiáng)ZnO表面生長過程中N的摻雜。
[Abstract]:ZnO is a wide band gap direct band gap semiconductor material. The band gap width at room temperature is 3.37 eV, and the exciton binding energy is up to 60 meV.. These excellent optical properties make ZnO have great application prospects in the field of ultraviolet (UV) optoelectronic devices, such as the preparation of LED and UV detectors. In recent years, Zn O, as a potential R blind detector material, is increasingly concerned by researchers. The blind detector is a light detector that can work in the blind band of the eye. The energy range of the photon is 4.4 to 5.6eV (280~220 nm at the corresponding wavelength). It is obvious that the band gap of the ZnO crystal is still low, and the band gap of ZnO must not be satisfied. For this reason, the researchers have proposed that ZnO can be alloyed with MgO and BeO with the same II - VI oxide semiconductors. However, it is still very difficult to obtain high quality and band gap ZnO based materials in the blind range. In addition, the p-type doping of ZnO has been seriously restricting its application in the field of optoelectronic devices. In this paper, the physical properties of Be, Mg doped ZnO based materials and the p-type conductivity in ZnO are systematically and deeply studied. This paper is divided into six chapters. In the first chapter, we summarize the recent advances in the research on ZnO based blind detector materials and p-type doping in ZnO. In the second chapter, we briefly introduce this paper In the third chapter, we have studied the phase transition of Be_xM_gyZn_ (1-x-y) O alloy by theoretical calculation and experimental method in the third chapter. We found that with the increase of Be component, the limit value of the doped Mg component in the BexMgyZn1-x+yO alloy of wurtzite is also increasing. We obtained the basic trend of the change of the band gap with Be, Mg concentration at the phase transition point. At the same time, under the guidance of the theory, the Be_xM_gyZn_ (1-x-y) O alloy material with the band gap value in the blind area was successfully prepared. In addition, by combining the first principle calculation with the group expansion method, we deeply studied the Be at the finite temperature. Phase separation in _xM_gyZn_ (1-x-y) O alloy. We found that the phase separation behavior of BexMgyZr1-x+yO alloys is dominated by Be components. In the separation phase of the alloy, Be1/3Zn2/30 is still a wide band gap direct band gap semiconductor material, and its band gap is 4.88eV, which is a promising material for the target detector. In the fourth chapter, we study The physical properties of impurities in the Be, Mg doped ZnO are calculated. Through the first principle, we find that the interstitial Be atom (Be1) is more inclined to migrate in the atomic base of ZnO. In the process of migration, Be1 can be combined with the substitutional Be atom (BeZn) to form a defective complex (2Be) Zn, which leads to the aggregation of the atoms in the ZnO matrix. Zn) can destroy the stability of the defect complex (2Be) Zn. Therefore, the addition of Mg impurities in the Be doped ZnO can effectively inhibit the aggregation of the Be components, which greatly improves the function that Bc can play in the regulation of the ZnO band gap. In addition, the exciton binding energy in Be doping ZnO is also systematically studied with the help of the first principle method. An enlarged problem. Based on the analysis of the electronic structure of the system, we found that the increase of exciton binding energy in the Be doped ZnO is mainly caused by the long distance disturbance produced by the Be impurity in the distribution of the electronic states of the system. In the fifth chapter, we studied the forming machine of the shallow acceptor complex in the body and surface growth of the N doped ZnO. Based on the first principle calculation, we found that the shallow acceptor defect complex NO-V_ (Zn) can easily be formed in the N doped ZnO by the charge transfer and the rejection between the acceptor energy level and the acceptor energy level. More importantly, NO-V_ (Zn) can become more stable after hydrogenation. And the hydrogenated (NO-nH) -V_ (Zn) (n=1-) (n=1-) 2) all are shallow acceptor defects, and the ionization energy is not more than 162 meV, which is in good agreement with the experimental observations. In addition, we also found that even if No-V_ (Zn) can be formed on the surface of ZnO, NO-V_ (Zn) can not exist with its deposition to the surface of the surface atom. However, the hydrogenated NO-H-V_ (Zn) can not only be easily formed on the surface of ZnO, Moreover, the internal stability of ZnO can also be deposited smoothly with the surface growth. Our research results show that the introduction of appropriate concentration of H is very important for the preparation of N doped ZnO with high quality p-type conductivity in the experiment. In the sixth chapter, we systematically studied the doping of Be to N in the process of surface growth. In addition, we found that Be impurity in the step area of Be-N dimer and ZnO can effectively enhance N doping in the surface growth of ZnO.

【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN304.21

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本文編號：1879116