两种直接带隙型Cu基p型透明导电材料的理论设计与性能优化

CuAlS2 and γ-CuI are two kinds of good candidates with direct band gap for p-type Transparent conductive materials(TCMs), which have been paid much attention by material scientists in recent years. This proposal focuses on the electronic structure, intrinsic and extrinsic defects in this two kinds of p-type TCMs by using the first-principles calculation combining with other calculating methods. Our purpose is increasing the p-type conductivity from hole concentration and mobility to make them close to even reach to the application requirements. We try to find out the best p-type defects and establish the microscopic relationship between defects and hole concentration/mobility. Then, considering the impurity band method by codoping n-type and p-type impurity, we attempt to decrease the transition level of the p-type defect and give some codoping suggestion to the experiment. At the same time, we compare their electronic structures with other p-type and n-type TCMs and find out some microscopic clues, which could supply the physics criterion for shallow p-type defect and excellent candidate for p-type TCMs.

CuAlS2和γ-CuI是近年来两种广受关注的直接带隙型p型透明导电材料。本项目欲利用第一性原理计算并结合其它相关计算软件，对这两种材料的电子结构、本征缺陷及外界杂质掺入进行具体的理论研究，旨在从空穴浓度和迁移率两方面提升它们的p型导电性，找出最有利的p型导电缺陷，并建立缺陷与空穴浓度、迁移率之间的微观联系。进一步考虑利用n型、p型共掺杂在价带顶形成杂质带的方法，降低p型缺陷的过渡能级，为提高CuAlS2及γ-CuI的空穴浓度提供共掺杂实验优化方案。同时，横向与其他p型或n型透明导电材料的电子结构进行比较，找出相关的物理规律，为获得浅的p型缺陷以及优良的母体材料提供标准。

n型透明导电材料作为透明电极已在日常生活中广泛应用。为进一步获得透明导电p-n结拓宽透明导电材料的应用范围，对p型透明导电材料的性能优化与改性研究具有重要的科研意义。.本项目针对Cu基及其它新型p型透明导电材料的电子结构进行了理论研究，获得了材料的能带结构、态密度、载流子有效质量、各缺陷形成能等相关信息。我们的研究结果，证实了要想获得较好的p型透明导电性能，需要尽可能的提高价带顶的位置。.在CuAlS2中，我们发现Cu过量能提升其价带高度，由于CuAlS2价带顶来源于Cu-S反键态，在Cu过量化合物中，CuAl-S的键长减小，相互作用增强，能使其价带高度进一步提升。价带高度的提升使其p型缺陷的过渡能级位置变浅，这一结果解释了实验上Cu 过量CuAlS2中较好p型导电性能的报道。同时，通过计算我们发现在Cu过量CuAlS2中掺入Zn到Al位是进一步提升其p型导电性的可能途径。根据具有高价带顶的化合物更容易形成p型导电性这条原则，进一步，我们发现除了含满壳层d10的元素外，含有ns2构型的元素同样具有低的电子束缚能，而能产生高的价带顶。通过计算，我们预测含有ns2构型离子Ge2+的化合物CsGeCl3应具有p型透明导电性。在分析其能带和态密度图后，发现Ge的4s2电子态确实出现在化合物的价带顶，与其具有低的束缚能相一致，而价带顶的4s2态使其空穴相比局域的d10态具有更轻的有效质量。进一步通过计算缺陷形成能，发现Ge空位为主要p型缺陷，能对p型导电性起到主要贡献，其载流子浓度可达到5×1018cm-1。.通过此项目的开展，不仅解释了实验现象，为进一步实验改性提出了建议，还预测出一类新型p型透明导电材料，该项目的开展推动了p型透明导电材料研究的发展。