通過(guò)第一性原理,對(duì)Na摻雜(Na_Zn)與Zn空位(V_Zn)及Na摻雜與O空位（V_O）共存的ZnO體系的形成能、電子結(jié)構(gòu)及磁性機(jī)理進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,Na原子與空位(V_Zn或V_O)空間位置最近時(shí),摻雜體系的形成能最低;與誘導(dǎo)V_Zn相比,Na摻雜在ZnO體系中更易誘導(dǎo)V_O,并且過(guò)量的Na摻雜必然導(dǎo)致V_O的形成。另外,磁性研究發(fā)現(xiàn),Na摻雜與空位(V_Zn或V_O)共存的體系都具有磁性。并且Na摻雜與V_Zn共存的ZnO體系磁性源于V_Zn的本征缺陷,而Na摻雜與V_O共存的ZnO體系的磁性源于Na原子與V_O的電子關(guān)聯(lián)交互作用。 

【文章來(lái)源】：人工晶體學(xué)報(bào). 2020年04期 北大核心

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【部分圖文】：

纖鋅礦ZnO超胞與設(shè)定的Zn空位、O空位及Na摻雜點(diǎn)位

此外,關(guān)于NaZn與VO共存的情況本文還討論了兩個(gè)高摻雜體系Zn31NaO31與Zn15NaO15,并且與相應(yīng)的NaZn單摻雜體系Zn31NaO32與Zn15NaO16作了形成能比較分析。如圖2所示,隨著NaZn摻雜濃度的提高,無(wú)論是NaZn單摻雜體系還是NaZn與VO共存體系的形成能都顯著增大,摻雜越困難,然而隨著NaZn含量的提高兩種摻雜體系的形成能差異逐漸減小,甚至在某一臨界摻雜濃度nc(是兩條曲線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的Na摻雜劑濃度,本文并無(wú)法精確按此濃度完成模擬計(jì)算)之后NaZn與VO共存體系的形成能更低,體系更穩(wěn)定。

關(guān)于Zn63NaO64摻雜體系,由圖3(a)可知,體系的價(jià)帶頂主要由O-2p態(tài)所貢獻(xiàn),導(dǎo)帶底主要由Zn-4s,Na-3s態(tài)及一小部分O-2p態(tài)所組成。并且摻雜體系的費(fèi)米能級(jí)已進(jìn)入價(jià)帶,說(shuō)明體系在一定程度上呈現(xiàn)出p型半導(dǎo)體特征。這是由于NaZn摻雜相當(dāng)于在體系中引入電離受主,從而導(dǎo)致?lián)诫s體系p型化。另外,NaZn摻雜導(dǎo)致體系空穴載流子濃度提高,從而使摻雜體系禁帶寬度減小。從圖3(a)也可看出,在導(dǎo)帶中,Na-3s態(tài)主要分布在3.5～4.6 eV能量范圍,且這部分雜質(zhì)能帶與導(dǎo)帶底Zn-4s態(tài)通過(guò)軌道雜化而構(gòu)成重疊能帶。進(jìn)而導(dǎo)致?lián)诫s體系導(dǎo)帶底向低能方向移動(dòng),禁帶寬度減小。經(jīng)計(jì)算,該體系的禁帶寬度為3.06 eV。如圖3(a)所示,Zn63NaO64摻雜體系的自旋態(tài)密度呈對(duì)稱分布,說(shuō)明NaZn單摻雜并未使體系產(chǎn)生誘導(dǎo)磁矩,摻雜體系無(wú)磁性,這一結(jié)論與實(shí)驗(yàn)[16]相符。關(guān)于Zn62NaO64摻雜體系,如圖3(b)所示,體系的自旋態(tài)密度呈非對(duì)稱性分布,整個(gè)摻雜體系呈現(xiàn)出一定程度的半金屬特征。對(duì)于上自旋區(qū),體系的導(dǎo)帶底主要由Zn-4s態(tài)與Na-3s態(tài)所組成;對(duì)于下自旋區(qū),導(dǎo)帶底主要由O-2p態(tài)及Zn-4s態(tài)所貢獻(xiàn)。在圖3(b)可看出,與NaZn單摻雜體系相比,Zn62NaO64體系在導(dǎo)帶底附近O-2p態(tài)的自旋態(tài)密度明顯增大。這是由于在Zn62NaO64體系中,VZn可被看成電離受主,VZn導(dǎo)致了鄰近未成對(duì)O-2p態(tài)電子形成,并且主要由其構(gòu)成了摻雜體系的導(dǎo)帶底。另外,Zn62NaO64體系的自旋態(tài)密度呈非對(duì)稱性分布,整個(gè)體系顯示出鐵磁性特征。如表3所示,體系的凈磁矩為2.03μB。關(guān)于體系凈磁矩的計(jì)算結(jié)果,可作如下分析:由于VZn可導(dǎo)致2個(gè)未成對(duì)O-2p電子的形成。根據(jù)洪特規(guī)則限定,這2個(gè)未成對(duì)電子必須是平行排列,且每個(gè)電子各貢獻(xiàn)1μB的自旋磁矩。下面關(guān)于態(tài)密度圖的分析也可證實(shí)這一結(jié)論。如圖3(b)所示,在費(fèi)米能級(jí)附近,O-2p態(tài)的誘導(dǎo)極化作用導(dǎo)致Zn-4s態(tài)電子態(tài)呈非對(duì)稱分布,而Na-3s態(tài)電子態(tài)幾乎是對(duì)稱分布,對(duì)體系的磁矩基本無(wú)貢獻(xiàn)。由此可知,在Zn62NaO64體系中,體系的磁性主要源于VZn的本征誘導(dǎo)磁化作用,而并非來(lái)自于NaZn與VZn的電子交換作用。比較圖3(a)與3(b)可知,Zn62NaO64摻雜體系的禁帶寬度明顯減小,且摻雜體系的p型化特征更加明顯。其原因在于,NaZn與VZn共存使摻雜體系空穴載流子濃度大幅增加,體系成為p型ZnO半導(dǎo)體,同時(shí)禁帶寬度減小。


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