同价Mg置换对ZnO基氧化物电子结构与电性能的影响

余小英 李凡生 张飞鹏 房慧 路清梅 张忻

余小英, 李凡生, 张飞鹏, 房慧, 路清梅, 张忻. 同价Mg置换对ZnO基氧化物电子结构与电性能的影响[J]. 高压物理学报, 2015, 29(2): 129-135. doi: 10.11858/gywlxb.2015.02.007
引用本文: 余小英, 李凡生, 张飞鹏, 房慧, 路清梅, 张忻. 同价Mg置换对ZnO基氧化物电子结构与电性能的影响[J]. 高压物理学报, 2015, 29(2): 129-135. doi: 10.11858/gywlxb.2015.02.007
YU Xiao-Ying, LI Fan-Sheng, ZHANG Fei-Peng, FANG Hui, LU Qing-Mei, ZHANG Xin. Electronic Structure and Electrical Properties of Mg-Substituted ZnO Oxide[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2015, 29(2): 129-135. doi: 10.11858/gywlxb.2015.02.007
Citation: YU Xiao-Ying, LI Fan-Sheng, ZHANG Fei-Peng, FANG Hui, LU Qing-Mei, ZHANG Xin. Electronic Structure and Electrical Properties of Mg-Substituted ZnO Oxide[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2015, 29(2): 129-135. doi: 10.11858/gywlxb.2015.02.007

同价Mg置换对ZnO基氧化物电子结构与电性能的影响

doi: 10.11858/gywlxb.2015.02.007
基金项目: 国家自然科学基金(11347141);广西高校科研项目(201203YB176);北京市自然科学基金(2112007)
详细信息
    作者简介:

    余小英(1972—), 女,硕士,副教授,主要从事计算物理和物理实验方面的研究.E-mail: 414269867@qq.com

    通讯作者:

    张飞鹏(1979—), 男,博士,副教授,主要从事功能材料性能及其物理机制的研究.E-mail:zhfp@emails.bjut.edu.cn

  • 中图分类号: O521.2; TN377

Electronic Structure and Electrical Properties of Mg-Substituted ZnO Oxide

  • 摘要: 采用密度泛函理论平面波超软赝势广义梯度近似方法,系统研究了Mg置换的ZnO基氧化物的晶格结构和电子结构,在此基础上分析了置换氧化物的电学性能。计算分析结果表明:Mg置换后的ZnO基氧化物其晶格减小,仍为直接带隙材料,带宽1.2 eV。Mg掺杂ZnO体系主要在-40 eV能量附近产生新的能带。费米能级附近的能带主要由Mg p、Zn p、Zn d、O p、Mg s、Zn s、O s电子形成,且这些能带之间存在着强相互作用。Zn p、Zn d、O p电子形成的能级上的载流子在外场作用下首先迁移至Mg s电子形成的能级,形成电输运过程。置换体系费米能级附近的载流子有效质量、态密度和载流子浓度都大大提高;Mg置换有利于ZnO材料体系电导率的提高。

     

  • 图  计算采用的ZnO晶胞结构模型

    Figure  1.  ZnO cell structure model used in the calculation

    (a) ZnO (b) MgZn7O8

    图  计算所得ZnO和Mg置换ZnO的能带结构

    Figure  2.  Calculated band structures

    (a) ZnO (b) MgZn7O8

    图  计算所得ZnO和Mg置换ZnO的总态密度

    Figure  3.  Calculated total density of states

    (a) ZnO (b) MgZn7O8

    图  计算所得Mg置换MgZn7O8的总态密度

    Figure  4.  Calculated total density of states of MgZn7O8

    图  Mg置换ZnO的各原子分态密度

    Figure  5.  Partial density of states of Mg doped ZnO

    表  1  未置换ZnO和Mg置换ZnO基氧化物的晶格参数

    Table  1.   Lattice parameters for the un-doped ZnO and Mg doped ZnO

    Compound a/(nm) b/(nm) c/(nm)
    ZnO 0.650 94 0.650 94 0.524 92
    Mg doped ZnO 0.649 73 0.649 73 0.522 82
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    表  2  Mg置换ZnO的原子组成电子电荷分布

    Table  2.   Charge populations for elements of Mg doped ZnO

    Element s p d Total charge
    O 1.85 4.99 0.00 -0.84e
    Zn 0.47 0.71 9.98 0.84e
    Element s p d Total charge
    O 1.85/1.88 5.01/5.10/5.11 0.00 -0.85e/0.86e/0.98e/0.99e
    Mg 0.37 5.73 0.00 1.90e
    Zn 0.47/0.49/0.50 0.69/0.77/0.78 9.97e 0.76e/0.78e/0.84e
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出版历程
  • 收稿日期:  2014-03-06
  • 修回日期:  2014-05-07

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