线缺陷和面缺陷对共掺p型ZnO稳定性的影响

First-principles calculation based on density functional theory is applied to study the effect of line and face defects on the stability of codoped p-type ZnO. In this project, the models of line and face defect in ZnO are built, in order to discuss their diffusion behaviors. The interaction between these defects and the acceptor complexes in codoped p-type ZnO is investigated. To describe the detail of the interaction, the geometric configuration, stress and electronic structure are calculated and the structure feature of the most stable acceptor complex is concluded. Also, for the single acceptors dissociated from acceptor complexes, its diffusion in dislocation channel is studied. Moreover, based on the stability of p-type complex, the codoping design, which is proposed in our previous research, is optimized. According to the theory, the new codoping system can be designed, which is possible and realizable to fabricate p-type ZnO. In the experiments, the relationship between the density of defects and the stability of p-type is also built, which is helpful to correct and improve our theory further.

通过基于密度泛函的第一性原理方法，研究ZnO中各种线和面缺陷对共掺p型ZnO的影响。课题首先研究了各种线和面缺陷的构型及其扩散行为。讨论各种缺陷与共掺ZnO中受主复合体的相互作用机理，分析相互作用时构型，应力以及电子结构的变化，进而总结出最稳态复合体的结构特点。同时，考虑复合体在解离后，单独受主在位错通道中的扩散行为，解释和分析目前共掺中p型不稳定性的原因。优化我们之前的共掺设计理论，将p型稳定性的因素引入共掺设计中，设计出可能且可行的共掺组合。在实验方面，研究各种缺陷密度的表征方法，建立缺陷密度与p型稳定性直接的联系。通过实验验证新的共掺设计理论，并进一步修正和完善理论。

ZnO中广泛存在的线和面缺陷，这些缺陷对p型掺杂特别复合体掺杂造成影响，此外ZnO铁磁性的形成也与这些线和面缺陷有关。课题主要通过第一性原理计算研究了孪晶和位错这两种缺陷，并首次构建了ZnO[0001]和[112 ̅0]两个方向的螺位错的模型，研究显示孪晶和位错都有可能导致O-O原子对的形成，通常O-O之间由于反键作用相互排斥，并在禁带中产生一个杂质能级，此外也有利空位产生进而影响p性掺杂和铁磁性。其次，通过对VZn-NO-H复合体和AgZn的研究，讨论孪晶和位错对ZnO中复合体的p型导电性影响，结果显示孪晶界中缺陷处NO和O原子距离拉近，其轨道杂化作用增强，进而降低了其下旋局域峰的能级，减少了电子跃迁所需的能量。而O-O反键态的不完全占据，进而导致一个较弱的自旋分裂，最终杂VBM上方形成一个浅受主态，使得孪晶有利于AgZn的离化能降低。O-O原子对的存在，在一定程度上有利于掺杂物形成浅的能级受主，进而获得低的离化能，但这些孪晶和位错会随着时间发生移动和变化，导致p型的稳定性下降。最后，讨论了孪晶和位错对ZnO铁磁性的影响。研究显示由于孪晶和位错结构的特殊性，使得过渡金属掺杂原子之间的直接相互作用变为可能，并促进了ZnO中d0铁磁性的产生。此外，与正常晶格中的替位掺杂相比，孪晶和位错中替位位置的配位数，与近邻原子的键长和键角也不一样，这些都会导致电子结构发生很大的变化，进而最终影响其ZnO铁磁性。