共掺ZnO中p型导电性形成机理及其共掺设计

选择不同类型p型共掺体系，通过第一性原理的量子力学计算，研究各种共掺中可能存在的受主复合体，分析p型导电性的产生机理，从而对相关实验结果提出必要的理论解释；通过对p型共掺中复合体构型研究，建立复合体构型、形成能与共掺原子属性之间的联系，总结出能预测掺杂效果的共掺设计理论,为探索新的p型共掺体系提供必要的理论基础；根据共掺设计理论，设计新的共掺体系以及相应的生长条件，利用磁控溅射、溶胶凝胶方法等薄膜生长技术制备p型ZnO，并通过霍尔效应测量薄膜的载流子类型、浓度和迁移率等电学参数以验证共掺设计理论，进一步修正和完善共掺设计理论。

通过第一性原理的量子理学计算，研究了不同类型的共掺ZnO体系。研究发现，掺杂原子的离子半径会极大的影响掺杂原子在ZnO晶格中的位置。对于离子半径较小的共掺原子，它们极易以填隙而不是替位的形式出现在ZnO晶格中，同时形成施主。这些施主与受主No结合时，由于N的2p电子能量高于O原子，会在禁带中产生一个杂质能级。由于这个能级，当额外的受主掺杂时，受主通常可以获得较小的离化能。结果显示，Li, Be, Cu以及Mg都具有这样的性质，能形成Mi+nNo的p型复合体。对于离子半径较大的共掺原子，它们通常是以替位掺杂的方式进入ZnO的晶格，但会导致周围原子较大的应变。为了释放，这些掺杂原子周围经常会出现Zn或O原子的空位。根据这一思想，我们解释了，Cd为什么不能作为共掺原子，以及Ag掺杂形成p型困难的原因。同时，我们也推论了S是一种很有潜力的共掺原子，So旁边伴随着受主Zn空位的形成，同时预测Ag+S，Cu+S以及Li+S共掺形成p型的可能。最后，我们也讨论了3d过渡族金属与Li共掺ZnO形成p型的可能，研究显示，3d过渡族金属的掺杂能导致磁性的产生，且容易吸引LiZn，并降低ZnO原有的VBM，并最终降低受主的离化能。