Eg可调的GaN系纳米薄膜的制备及其光电性能的理论计算

鉴于GaN与InN、AlN及其相关合金半导体结合的二极管可以发射从紫外到可见以及近红外光，研究其薄膜的光电学性能对于探索它们在太阳能方面的应用具有极其重要的意义。本项目首先从理论上建立GaN、InN和AlN及其合金InxGa1-xN、AlxGa1-xN、(In,Al)GaN的纳米晶体模型，用第一性原理的密度泛函理论对相应纳米晶体进行计算，研究它们的能带结构和光电性能的关系。其次采用溶胶凝胶法分别制备出上述三种二元纳米薄膜，依据计算结果均匀掺杂入溶胶中合成上述三元四元禁带宽度Eg可调（0.7 eV ～6.2eV）的合金纳米薄膜，再掺入Si、Zn和Mg给溶胶中制备这些二元三元四元薄膜，并用多种测试手段进行表征，研究其光电性能，总结出工艺条件和配方对光电学性能影响的规律，得到优化的工艺参数和Eg的调节规律。结合理论和实验研究其电学、光学性能变化的机理，为其在相关大面积光伏器件的应用奠定基础。

研究小组按照《国家自然科学基金申请书》中三年项目的进展计划执行，2011、2012已提交了年度进展报告，2013年也是严格按照申请书进展，并圆满完成了预期研究任务。重要结果如下：.一、实验方面：.1.用溶胶凝胶和氨化两步法制备出了GaN 纳米粉体和薄膜。以Ga2O3或硝酸镓为镓源、柠檬酸为络合剂制备溶胶，研究了参数对产物的影响，制备出GaN粉体。将溶胶旋涂在硅片上高温氨化后制备出纯GaN薄膜；催化制备出一维结构GaN棒和线。.2.InN的溶胶凝胶制备。以氯化铟为铟源制备溶胶，在Si和石英上640℃制备出纯InN薄膜。.3．稀土掺杂GaN薄膜制备。硝酸镓溶液中加硝酸铈或硝酸镧，其它工艺不变制得掺杂GaN薄膜。分析掺稀土GaN发光范围从紫外扩展到蓝色段，且缺陷对发光重要。.4. AlN粉体和AlxGa1-xN薄膜制备。以硝酸铝为铝源制出AlN粉体；在石英上得到掺铝GaN薄膜；硅上制出AlxGa1-xN薄膜，AlCl3使薄膜更致密，碳粉催化使薄膜致密且颗粒增大。.二、理论研究：.1.本征和掺杂GaN晶体的理论计算。MS软件建立单胞模型、优化后构建超胞，计算出电子态密度和能带结构；Pr掺杂超胞计算出介电函数和吸收系数。构建了AlN超胞和Ga掺AlN超胞，表明Ga使AlN的Eg变窄，Ga增加使光吸收谱往低能量区平移。.2.InxGa1-xN晶体模型构建与计算。对GaN和InxGa1-xN超胞计算了掺杂量的影响规律：Eg从1.278eV变到0.719 eV；复介电函数和吸收光谱随In增加各峰向低能量区移动，形成一个连续光带；透射率有所降低。.3.建立AlxGa1-xN和掺杂AlxGa1-xN模型。计算知随Al增加晶格常数线性变化；Eg在GaN和AlN间，且实现Eg可调；随Al增加静态介电常数减小且呈线性变化，能量损失峰向高能区移动，吸收谱“蓝移”。Mg和Zn使晶格常数增大，Mg较Zn更有利p型掺杂，Mg和Zn能提高静态介电常数且Mg较Zn更有利；Mg和Zn在长波长出现一较宽吸收带。Si使晶格常数减小且抗能量损失能力增强，使AlxGa1-xN吸收曲线截止边向短波移动。.4.理想和Al掺GaN纳米线的电学性能研究。计算出本征Ga48N48纳米线的能带结构，发现Eg比体材料提高。一个Al取代纳米线中3种掺杂位有一个最稳定，计算的Eg增大了，引起态密度加了两个峰。