本文關(guān)鍵詞：高壓下ZnO雜質(zhì)缺陷及ZnO-CaO合金結(jié)構(gòu)與電子性質(zhì)的第一性原理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：氧化鋅材料是一種直接帶隙半導(dǎo)體材料，有著優(yōu)良的光電特性。氧化鋅材料的禁帶寬度很高，達(dá)到3.37eV，使得有著很好的室溫發(fā)光的應(yīng)用前景；激子束縛能較高，達(dá)到60meV，可以在高輻射的工作條件下正常應(yīng)用。正是由于這些優(yōu)良的性質(zhì)使得氧化鋅材料得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。除此之外，氧化鋅材料還有著豐富的材料來(lái)源，低廉的原料價(jià)格，在信息存儲(chǔ)和發(fā)光器件的開(kāi)發(fā)中有著重要的應(yīng)用。 但是氧化鋅材料在工業(yè)制備和應(yīng)用上仍然存在著一些問(wèn)題尚未得到解決。穩(wěn)定的p型電導(dǎo)性，以氧化鋅為基的帶隙可調(diào)合金材料等，都是亟待解決的實(shí)際問(wèn)題。因此，尋找高質(zhì)量的p型氧化鋅半導(dǎo)體以及以氧化鋅為基的寬帶隙合金材料都仍然是熱點(diǎn)的研究問(wèn)題。在本論文中，我們選取氧化鋅作為研究基礎(chǔ)，采用第一性原理結(jié)合結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)搜索的方法，對(duì)氧化鋅材料雜質(zhì)缺陷在高壓下的性質(zhì)以及ZnO-CaO合金在高壓下的新結(jié)構(gòu)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，獲得了以下創(chuàng)新性的結(jié)果： 1、我們采用了第一性原理的方法研究了氧化鋅B1相在高壓作用下的半導(dǎo)體本征缺陷性質(zhì)。六種本征缺陷的缺陷形成能與內(nèi)在壓力，電荷態(tài)以及外界靜水壓有關(guān)。對(duì)于帶負(fù)電荷態(tài)的缺陷，隨著壓力的增加缺陷形成能降低，，平衡濃度增加。而對(duì)于正電荷態(tài)的缺陷有著相反的趨勢(shì)，隨著壓力的增加缺陷形成能增加，平衡濃度降低。在富鋅條件下，由于作為施主的氧空穴有著較高的形成能，壓力有利于形成p型導(dǎo)電的半導(dǎo)體。缺陷的躍遷能級(jí)同樣與壓力有很強(qiáng)的關(guān)系，而與缺陷的電荷態(tài)情況并沒(méi)有很強(qiáng)的依賴(lài)。 2、我們采用第一性原理方法，研究了在壓力作用下氧化鋅中氮原子取代氧原子缺陷穩(wěn)定性的變化。高壓的引入使得缺陷形成能降低，缺陷平衡濃度增加。計(jì)算得到的缺陷形成體積始終為負(fù)值，表明缺陷形成能隨著壓力的增加而降低，與形成能的計(jì)算結(jié)果相符。隨著壓力的增加，在費(fèi)米面處的缺陷能級(jí)也逐漸減弱，拜德電荷分析表明壓力使得離子鍵增強(qiáng)。 3、我們采用第一性原理基于遺傳演化算法的USPEX程序，系統(tǒng)地搜索了0-60GPa壓力范圍內(nèi)穩(wěn)定的CaO-ZnO合金結(jié)構(gòu)。我們發(fā)現(xiàn)ZnO-CaO合金只有在高壓下才能形成，并成功預(yù)測(cè)四種配比的高壓穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。這四種新型CaO-ZnO合金結(jié)構(gòu)CaZn6O7，CaZn5O6，CaZn3O4和CaZnO2，分別具有R-3，C2/M，P2/C和R-3M的空間群，這些結(jié)構(gòu)在其熱力學(xué)穩(wěn)定存在的壓力區(qū)間都是動(dòng)力學(xué)和力學(xué)穩(wěn)定的。發(fā)現(xiàn)隨著壓力的增加，會(huì)有更高鈣濃度的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)出現(xiàn)；然而，壓力升高到60GPa，合金的鈣濃度始終不高于50%。合金結(jié)構(gòu)隨著鈣濃度的變化，經(jīng)歷了從六角到單斜，又回到六角的過(guò)程。我們發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)并不與ZnO和CaO有著似的對(duì)稱(chēng)性類(lèi)型。進(jìn)一步的分析表明組分結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性對(duì)合金結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性影響不大。通過(guò)比較和分析電荷能帶結(jié)構(gòu)，我們可以看出隨著鈣的濃度的增加，帶隙有著近似線性的增加。并且當(dāng)鈣濃度低于50%時(shí)，帶隙隨著壓力的增加而增加；當(dāng)鈣濃度等于50%時(shí)，帶隙隨著壓力的增加先增加后降低。特別指出的是：我們?cè)诟邏合碌玫降倪@些穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在常壓下是亞穩(wěn)態(tài)，表明這些材料可以借助高壓手段來(lái)合成，通過(guò)卸壓可以保存到常壓狀態(tài)。
【關(guān)鍵詞】：高壓 第一性原理 半導(dǎo)體 摻雜 合金
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：O469
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 緒論12-42
• 1.1 計(jì)算材料科學(xué)12-15
• 1.2 高壓技術(shù)15-19
• 1.2.1 壓力的定義及分類(lèi)15-17
• 1.2.2 壓力的分布范圍17-18
• 1.2.3 壓力對(duì)物質(zhì)的作用18-19
• 1.3 半導(dǎo)體及氧化鋅材料的研究進(jìn)展19-32
• 1.3.1 半導(dǎo)體材料的研究進(jìn)展19-21
• 1.3.2 氧化鋅材料的研究進(jìn)展21-23
• 1.3.3 氧化鋅的結(jié)構(gòu)與基本性質(zhì)23-25
• 1.3.4 氧化鋅的本征缺陷與摻雜25-31
• 1.3.5 氧化鋅基合金材料的帶隙工程31-32
• 1.4 本研究的目的和意義32-33
• 1.5 參考文獻(xiàn)33-42
• 第二章 理論基礎(chǔ)與計(jì)算方法42-58
• 2.1 多粒子體系的薛定諤方程42-45
• 2.1.1 絕熱近似43-44
• 2.1.2 Hartree 近似44
• 2.1.3 Hartree-Fork 近似44-45
• 2.2 結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法密度泛函理論45-50
• 2.2.1 Hohenberg-Kohn 定律46
• 2.2.2 Kohn-Sham 方程46-48
• 2.2.3 交換關(guān)聯(lián)能48-50
• 2.3 第一性原理計(jì)算方法50-53
• 2.3.1 基組50
• 2.3.2 全電子法和贗勢(shì)50-52
• 2.3.3 Kohn-Sham 方程的自洽計(jì)算52-53
• 2.4 結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法53-55
• 2.5 參考文獻(xiàn)55-58
• 第三章 壓力作用下氧化鋅本征缺陷的研究58-74
• 3.1 研究背景58-59
• 3.2 計(jì)算方法和細(xì)節(jié)59-60
• 3.3 本征缺陷形成能體積的計(jì)算60-63
• 3.4 本征缺陷形成焓的計(jì)算63-68
• 3.5 本征缺陷電子躍遷能級(jí)的計(jì)算68-69
• 3.6 本章小結(jié)69-70
• 3.7 參考文獻(xiàn)70-74
• 第四章 壓力作用下氧化鋅雜質(zhì)的研究74-88
• 4.1 研究背景74-75
• 4.2 計(jì)算方法和細(xì)節(jié)75
• 4.3 氮摻雜氧化鋅的缺陷形成能75-76
• 4.4 氮摻雜氧化鋅的缺陷形成體積76-77
• 4.5 氮摻雜氧化鋅的缺陷濃度77-78
• 4.6 氮摻雜氧化鋅的缺陷電荷分布78-80
• 4.7 氮摻雜氧化鋅的能帶態(tài)密度80-82
• 4.8 本章小結(jié)82
• 4.9 參考文獻(xiàn)82-88
• 第五章 CaZnO 合金高壓下的研究88-108
• 5.1 研究背景88-89
• 5.2 計(jì)算方法和細(xì)節(jié)89
• 5.3 CaO 和 ZnO 的基本性質(zhì)89-90
• 5.4 CaZnO 合金結(jié)構(gòu)與熱力學(xué)穩(wěn)定性90-95
• 5.5 CaZnO 合金動(dòng)力學(xué)和力學(xué)穩(wěn)定性95-98
• 5.6 CaZnO 合金帶隙結(jié)構(gòu)98-102
• 5.7 本章小結(jié)102-103
• 5.8 參考文獻(xiàn)103-108
• 第六章 總結(jié)108-110
• 學(xué)術(shù)成果110-112
• 致謝112

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 徐祖耀;;材料科學(xué)及其進(jìn)展[J];材料科學(xué)與工程;1983年01期

  本文關(guān)鍵詞：高壓下ZnO雜質(zhì)缺陷及ZnO-CaO合金結(jié)構(gòu)與電子性質(zhì)的第一性原理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：277160