p型ZnO初探—ZnO（0001）表面点缺陷能级以及对表面和体电子输运的影响

We devised a project that using our proposed non-linear core corrected norm-conserving pseudopotential code with modified sX-LDA functional to carry out a research on ZnO(0001) surface electronic structures and defect states DFT calculations. In this project, we focus on accurate and reliable calculations on surface band structures and a variety of surface defect states and dopants levels of ZnO(0001) system. We aim to summarise the effects of point defect states on ZnO(0001) surface for the electron transport of surface and bulk ZnO, and to solve the debate and issue of the influence of surface states on the p-type ZnO conductivity and transport.

本项目拟利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法结合非线性核修正模守恒赝势（non-linear core corrected norm-conserving pseudopotential），采用屏蔽交换泛函（sX-LDA），研究ZnO（0001）表面体系的各种电子学性质，致力于精确可信的能带计算和表面体系中各种点缺陷能级的计算，并总结缺陷态对电导及输运的影响，解决学术界中对于ZnO表面态对p型ZnO导电的影响和理论争议问题。

ZnO是一种具有广泛应用前景的半导体材料，其关键的电导可控能力却限制了其在电子器件上的实际应用。与其他基础半导体材料不同，ZnO的掺杂不对称性导致了p型掺杂实现的困难。为了达到对屏蔽的d/f轨道进行更精准的描述，且不受任何价电子赝势的影响，我们在传统GGA/LDA 的基础上采用了sX-LDA的计算来改进Thomas-Fermi 屏蔽长度估算机制, 从而在处理大尺寸下的固体材料中展现了高效精确之优势。借助该算法的优势，我们以点缺陷为出发点，深入地探讨了在ZnO中不同价态的缺陷的形成能和相应p型和n型的掺杂极限。然而我们发现缺陷的补偿作用是导致通过掺杂调控费米能级难以实现p-型ZnO的主导原因。这个问题的存在使得ZnO通过各种实验手段和掺杂工艺达到p-型电导材料的同时，也可能使得材料在合成以及实验物理化学掺杂过程中通过电荷补偿的自发过程成为了重掺杂材料，反过来影响p型掺杂的电导率。作为潜在的发光材料，我们还对全部镧系金属的掺杂而产生的上转换发光机制进行了全面的探索，通过精准的f电子的激发态行为对上转换发光的影响进行了分析，提出了创新的理论模型。在Zn-基多元氧化物中，我们同样对应力发光行为中的具体模型进行了深刻讨论，证明了本征点缺陷之间的相互作用可以为发光过程中的能量转换提供一个中继站，验证了基础缺陷态的研究对与电子传输和能量转换的重要性。..除此之外，我们先进算法的稳定性和基础缺陷态研究的重要性在其他材料中也得到了普适性的体现。我们在发光材料中不仅揭示了由本征缺陷构建出的能量转换路径而导致的压电效应与应力发光的耦合机制，还发现了表面缺陷态对于纳米光子储存的重要性。在离子电导等关键能源材料中，我们则透过缺陷构筑了氧离子迁移机制与路线从而实现高离子电导材料的监测和调控。在催化领域，我们则透过优化算法挖掘了在不同材料中由轨道调控催化活性的核心。这些领域的拓展研究使得我们对缺陷态的认识更加深入并且广泛地验证了我们关键理论算法的优势和精度。..因此，本项目的成功实施不仅对未来半导体材料的掺杂调控有着重要参考意义，更加为研究新颖材料提供了可靠的理论计算基础。