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物理学报 2023年第1期72卷 51-59页

作者：丁莉洁张笑天郭欣宜薛阳林常青黄丹广西大学物理科学与工程技术学院南宁530004 广西大学广西高校新能源材料及相关技术重点实验室南宁530004

SrSnO_(3)是一种钙钛矿结构的宽带隙半导体,透明性高、无毒且价格低廉,是一种有前景的透明导电氧化物的候选者.本文通过第一性原理计算,获得了SrSnO_(3)的电子结构,着重讨论了SrSnO_(3)的本征缺陷、外界元素掺杂的缺陷形成能及过渡能级... 详细信息

SrSnO_(3)是一种钙钛矿结构的宽带隙半导体,透明性高、无毒且价格低廉,是一种有前景的透明导电氧化物的候选者.本文通过第一性原理计算,获得了SrSnO_(3)的电子结构,着重讨论了SrSnO_(3)的本征缺陷、外界元素掺杂的缺陷形成能及过渡能级,筛选出适宜的掺杂元素并指出了对应的实验制备环境,进一步根据带边能量位置对其电导性能机制进行了探讨.计算结果表明,SrSnO_(3)是一种基础带隙为3.55 eV、光学带隙为4.10 eV的间接带隙半导体,具有良好的透明性,电子的有效质量轻,利于n型电导.在富金属贫氧条件下,As,Sb掺杂SrSnO_(3)可以提升n型电导率;SrSnO_(3)的价带顶位于-7.5 eV处,导带底位于-4.0 eV处,其价带顶和导带底的能量位置均相对较低,解释了其易于n型掺杂而难于p型掺杂,符合宽带隙半导体材料的掺杂规律,最后,Sb掺杂SrSnO_(3)被提出为有前景的廉价n型透明导电材料.

关键词：第一性原理计算 n型透明导电氧化物SrSnO_(3) 缺陷形成能带边能量位置

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基于宽带隙半导体作为透明导电材料的第一性原理研究

基于宽带隙半导体作为透明导电材料的第一性原理研究

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作者：丁莉洁广西大学

学位级别：硕士

随着科技的飞速发展,人们对电子器件材料的更新和优化愈加重视。由于同时具有透明性及导电性的独特性能,透明导电材料在光电器件领域有着广泛的应用。宽禁带半导体具有高透光率,可以作为透明导电材料的母体材料。寻求价格低廉且性能优异... 详细信息

随着科技的飞速发展,人们对电子器件材料的更新和优化愈加重视。由于同时具有透明性及导电性的独特性能,透明导电材料在光电器件领域有着广泛的应用。宽禁带半导体具有高透光率,可以作为透明导电材料的母体材料。寻求价格低廉且性能优异的n型和p型透明导电材料是目前的研究热点。与传统的宽带隙半导体相比,ZnGaO是一种新兴的、具有多功能应用的宽带隙半导体,具有十分出众的光电性能;SrSnO是一种钙钛矿结构的宽带隙半导体,透明性高且价格低廉;而Cu基宽禁带半导体材料已在p型透明导电材料崭露头角,CuBSe是近年来报道的一类宽禁带半导体材料。本文中,我们针对这三种不同的三元宽带隙半导体,进行了基于透明导电材料的第一性原理研究,旨在认识其电子结构和光电性能,并对提高电导的掺杂元素进行了筛选。具体内容如下:1、对ZnGaO的电子结构以及ZnGaO中的本征缺陷和不同杂质元素分别掺杂Zn、Ga、O元素的缺陷形成能进行了计算。计算结果表明ZnGaO是一种宽带隙半导体,具有良好的透光性。通过对缺陷形成能的计算,发现在富金属贫氧条件下,本征缺陷Ga是n型电导率的主要来源。而杂质元素In、Si和F分别掺杂Zn、Ga、O元素具有较浅的过渡能级和较低的缺陷形成能。通过对带边能量位置的研究,发现ZnGaO的CBM能量位置比较低,容易实现n型掺杂。因此,建议ZnGaO作为n型透明导电材料。2、计算了SrSnO的电子结构,本征缺陷以及外界掺杂的缺陷形成能。计算结果表明,SrSnO是一种宽带隙半导体,具有良好的透明性;通过缺陷形成能的计算,发现在富金属贫氧条件下,Sb、As掺杂SrSnO可以促进n型电导率;通过带边能量位置的计算,发现SrSnO的VBM能量位于-7.5e V处,CBM的能量位于-4 e V处,其CBM能量位置较低易于n型掺杂。因此,SrSnO是一种非常有前途的n型透明导电材料候选者。3、计算了CuBSe的电子结构,分析了CuBSe中替位、空位和填隙三种本征点缺陷的缺陷形成能,同时计算了Be、Mg、Ca、Sr、Ba以及Zn这六中元素分别在CuBSe中对Cu元素和B元素进行掺杂的缺陷形成能。计算结果表明,CuBSe是一种本征p型半导体,本征电导率来源于V,Zn掺杂CuBSe具有浅的过渡能级,可以促进p型电导率。带边能量位置计算表明CuBSe具有高的价带顶,VBM能量为-5.07 e V,易于p型掺杂。因此,我们认为CuBSe可以作为良好的p型透明导电材料。通过对以上三种宽禁带半导体材料的具体研究,发现在宽带隙半导体中,价带顶较高的半导体容易实现p型掺杂,导带底较低更容易n型掺杂。而宽禁带半导体材料由于其较宽的带隙,不能同时拥有低的导带底和高的价带顶,不能对其同时实现n型及p型掺杂。本文进一步阐述了带边能量位置对设计n型和p型透明导电材料的重要性。

关键词：透明导电材料第一性原理宽带隙半导体缺陷形成能带边能量位置

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