N摻SnO2基半導體材料的光電性能.pdf

1、透明導電氧化物薄膜以其優(yōu)異的光電性能引人矚目，SnO2材料因帶隙寬、激子束縛能高等特性而具有優(yōu)越的光電性能，被公認為下一代半導體材料中理想的候選光電透明導電氧化物薄膜(TCO)材料。其摻雜形成的氧化物半導體光、磁、電學性質得到了較大的改善，但目前由于對p型SnO2摻雜的作用機理及導電特性認識不清，其實用型的SnO2基摻雜氧化物半導體并未得到工業(yè)化應用，主要局限于透明電極、紅外反射涂層膜等方面，制備真正意義上的“透明導電器件”有待進一步的

2、研究和發(fā)展。自然界中大多透明氧化物都是n型半導體材料，而良好性能的p型氧化物薄膜材料少之又少。目前的p型氧化物薄膜材料一般比n型材料電導率低3-4個數(shù)量級，因此很難實現(xiàn)全透明器件的p-n結，具有優(yōu)良光電性能的p型氧化物材料是亟待解決的問題。由于氮與氧的離子半徑(N3+:1.71;O2-:1.32)和電負性(N:3;O3.5)非常接近，非常適合作為p型摻雜劑，本文是以密度泛函理論的第一性原理為基礎，采用全勢線性綴加平面波方法(FPLAPW

3、)和廣義梯度近似(GGA)分析了N摻雜不同結構體系SnO2的電子結構，本文中的所有分析均采用WIEN2K工具輔助完成的。
　　 首先，分析了N:SnO2材料的電子結構，其中N替代體心位置的Sn原子。結果顯示，體系禁帶寬度變窄，這是由于N雜質中2p態(tài)電子進入O、Sn的外層軌道發(fā)生雜化作用，并且在能量為1.63～2.38eV范圍內形成一條窄的深受主能級，即雜質能級，分析可知N元素是比較理想的p型摻雜劑。摻雜后的材料呈現(xiàn)出了半金屬特性

4、，增強了材料的導電性能。其介電函數(shù)和光學吸收譜均產生了3個主躍遷峰，并且發(fā)生了紅移，且光學吸收邊變寬，增大了材料的光學響應，這主要是各躍遷峰與電子從價帶到導帶的躍遷吸收相關。
　　 為了深入了解N摻雜對SnO2性能的影響，對比分析了N替代不同Sn原子位的電子結構，分析了Sn1-xNxO2體系的態(tài)密度，能帶結構和光學介電函數(shù)。結果表明:摻雜后體系的帶隙先減小后增大，在12.5％時帶隙最窄，亦導電性能最強。費米能級向低能方向移動進入

5、了價帶，在0.55～1.05eV范圍形成了一條窄的淺受主能級，并且價帶頂附近產生了多余的載流子.空穴。摻雜后價帶和導帶處的能級均出現(xiàn)了劈裂及軌道的重疊現(xiàn)象。晶胞的電子布局數(shù)、磁矩及總能量隨著摻雜濃度變大，其中N原子決定了磁矩的大小。摻雜后電虛部函數(shù)ε2(ω)譜中出現(xiàn)了三個主躍遷峰，各躍遷峰是由能級間的電子躍遷產生的，且體系的光學吸收邊增寬，主躍遷峰位發(fā)生了紅移，反射率與介電譜相對應，各躍遷峰值都與電子的躍遷吸收有關。
　　 再次

6、，分析了在O原子位上摻雜不同濃度N的SnO2超晶胞結構的電子結構。結果表明，費米能級向低能方向移動，隨著摻雜量的增加體系的禁帶寬度逐漸減小，與本征態(tài)電子結構對比，在能量為1.35～2.50eV的范圍內形成了雜質帶。體系的介電虛部函數(shù)譜總體上無較大差異，在2.5eV、6.750eV、8.75eV和10.0eV的能量處出現(xiàn)了四個躍遷峰，三個主躍遷峰譜線向低能方向移動發(fā)生了紅移，各躍遷峰與電子自價帶到導帶的躍遷吸收有關，對應于折射率圖，并且隨

7、著摻雜量的增加折射率逐漸減小。
　　 然后，分析了本征和N:SnO2體系反位替代后的電子態(tài)密度和光學性質(介電函數(shù)、反射率、折射率、吸收系數(shù))。分析可知，相對純SnO2材料，反位替代后體系體現(xiàn)出金屬特性，N摻雜后體系的自旋極化率接近100％，使材料表現(xiàn)出了半金屬性，并且摻雜后體系的帶隙相對變寬，反位替代增強了材料的導電性能。摻雜后材料的光學性能也發(fā)生了較大的變化，體系產生一個新的介電峰，這主要是由N的2p軌道電子向Sn的Ss軌道

8、躍遷形成的。反射率、折射率、吸收系數(shù)均對應于介電峰發(fā)生了藍移現(xiàn)象。這些都為反位替代在電學和光學方面的研究提供了理論依據(jù)。
　　 之后，分析了本征和N摻雜的SnO2薄膜材料的電子態(tài)密度、介電函數(shù)、折射率和反射率。研究表明，未摻雜的兩種結構均為半導體材料。在薄膜結構的價帶頂部，電子占居較多，摻雜后的薄膜材料費米能級處自旋向下的態(tài)密度有電子占居，而自旋向上并沒有電子分布，體系的自旋極化率達到100％，呈現(xiàn)出半金屬特性，導電性能相對較強

9、，這主要來源于N-2p軌道的電子。材料的能量損失函數(shù)、反射率、折射率與介電函數(shù)存在一一對應關系，各躍遷峰與電子間的躍遷有關，體系產生了三個主躍遷峰，摻雜后出現(xiàn)了一個新躍遷峰，新峰的產生是由于N原子的引入，摻雜N原子后使體系的光電性能發(fā)生了較明顯的改變。
　　 最后，對Sn16O31NI體系進行注入電子和空穴，取得了有價值的成果，注入空穴比注入電子的Sn16O31NI體系禁帶寬度減小了0.02eV，比本征SnO2材料減小了1.12

10、eV，體系的費米能級向高能級移動，且分布著N_2p軌道的電子，此處的自旋極化率達到100％，由半導體轉變?yōu)榘虢饘俨牧希瑢б蚕鄬φ箤?，由此可見空穴注入對體系的導電性能有了很大的提高。三種體系均出現(xiàn)了三個介電峰，注入電子的體系與本征的光學曲線變化大致相同，且躍遷峰比較尖銳，注入電子后體系出現(xiàn)了紅移現(xiàn)象。注入空穴后體系的光學特性有明顯的變化，由于自旋極化的不同，其吸收系數(shù)、能量損失函數(shù)及折射率在高能區(qū)域發(fā)生反轉，三種體系中以空穴注入的Sn1