搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

B, P掺杂β-Si3N4的电子结构和光学性质研究

程超群 李刚 张文栋 李朋伟 胡杰 桑胜波 邓霄

引用本文:
Citation:

B, P掺杂β-Si3N4的电子结构和光学性质研究

程超群, 李刚, 张文栋, 李朋伟, 胡杰, 桑胜波, 邓霄

Electronic structures and optical properties of boron and phosphorus doped β-Si3N4

Cheng Chao-Qun, Li Gang, Zhang Wen-Dong, Li Peng-Wei, Hu Jie, Sang Sheng-Bo, Deng Xiao
PDF
导出引用
  • 运用第一性原理方法, 计算了B, P两种元素单掺杂和共掺杂的β -Si3N4材料的电子结构和光学性质. 结果表明: B掺杂体系的稳定性更高, 而P掺杂体系的离子性更强; 单掺和共掺杂均窄化带隙, 且共掺在禁带中引入深能级, 使局域态增强; 单掺杂体系介电函数虚部、吸收谱和能量损失谱各峰均发生红移、幅值减小, 而共掺后介电函数虚部主峰出现蓝移、能量损失峰展宽、高能区电子跃迁大大增强, 且控制共掺杂的B, P比例可获得较低的带电缺陷浓度.
    The electronic structures and optical properties of boron/phosphorus mono- and co-doped β silicon nitride are studied by the first-principles plane-wave ultrasoft pseudopotential method with the generalized gradient approximation. The results are obtained as follows. The B-doped system has a better stability than the P-doped system, while the P-doped structure has a stronger ionicity. The mono-doping and co-doping can narrow the band gap of β silicon nitride while the co-doping introduces the deep impurity levels and strengthens the localized states. The mono-doping causes the imaginary part of dielectric function, the peaks of absorption spectra and energy loss spectra to red-shift, and their amplitudes to decrease, resulting in a significant difference from the intrinsic state. The co-doping induces the peak of imaginary part of the dielectric function to blue-shift, broadens the energy loss peak, greatly enhances the electronic transition in the high energy region, and controlling the ratio of the numbers of atoms (B and P) in co-doping can achieve a low charged defect concentration, implying its potential application in the field of microelectronics.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 51205275, 51205276, 51205273)、国家高技术研究发展计划(批准号: 2013AA041109)、山西省自然科学基金(批准号: 2013021017-1)和山西省回国留学人员科研资助项目(批准号: 2013-035)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 51205275, 51205276, 51205273), National High Technology Research and Development Program of China (Grant No. 2013AA041109), the Natural Science Foundation of Shanxi Province, China (Grant No. 2013021017-1), and the Shanxi Provincial Foundation for Returned Scholars (Main Program), China (Grant No. 2013-035).
    [1]

    Lu X F, Chen M, Fan L, Wang C, Wang H J 2013 Appl. Phys. Lett. 102 031907

    [2]

    Yu B H, Chen D 2014 Acta Phys. Sin. 63 047101 (in Chinese) [余本海, 陈东 2014 63 047101]

    [3]

    Gritsenko V A 2012 Physics-Uspekhi 55 498

    [4]

    Papaioannou G J, Exarchos M, Theonas V 2006 Appl. Phys. Lett. 89 103512

    [5]

    Li G, San H S, Chen X Y 2009 J. Appl. Phys. 105 124503

    [6]

    Li G, Chen X Y 2012 Appl. Phys. A 109 539

    [7]

    Lu X F, La P Q, Guo X, Wei Y P, Nan X L, He L 2013 J. Mod. Phys. B 27 1250212

    [8]

    Lu X F, La P Q, Guo X, Wei Y P, Nan X L, He L 2013 Comput. Mater. Sci. 79 174

    [9]

    Yang L, Li J B, Yang X Z, Dai J H 2004 Chin. J. Rare Metals 28 609 (in Chinese) [杨柳, 李建保, 杨晓战, 戴金辉 2004 稀有金属 28 609]

    [10]

    Tong X G, Yang X Z, Li J B 2005 Rare Metal Mat. Eng. 34 508 (in Chinese) [童旭光, 杨晓战, 李建保 2005 稀有金属材料与工程 34 508]

    [11]

    Xu M, Ding Y C, Xiong G, Zhu W J, He H L 2008 Phys. B: Condens. Matter 403 2515

    [12]

    van Spengen W M 2012 J. Micromech. Microeng. 22 074001

    [13]

    Hasegawa S, Segawa M, Kurata Y 1986 Appl. Phys. Lett. 49 1178

    [14]

    Hasegawa S, Segawa M, Kurata Y 1988 J. Appl. Phys. 64 1931

    [15]

    Guo H H, Yang T, Tao P, Zhang Z D 2014 Chin. Phys. B 23 017201

    [16]

    Zhang C L, Han P D, Wang X H, Zhang Z X, Wang L P, Xu H X 2014 Chin. Phys. B 22 126802

    [17]

    Pan H Z, Xu M, Zhu W J, Zhou H P 2006 Acta Phys. Sin. 55 3585 (in Chinese) [潘洪哲, 徐明, 祝文军, 周海平 2006 55 3585]

    [18]

    Perdew J P, Burke K, Ernzerhof M 1996 Phys. Rev. Lett. 77 3865

    [19]

    Car R, Parrinello M 1985 Phys. Rev. Lett. 55 2471

    [20]

    Vanderbilt D 1990 Phys. Rev. B 41 7892

    [21]

    Wrazien S J, Zhao Y J, Krayer J D 2003 Solid-State Electron. 47 885

    [22]

    Fischer T H, Almlöf J 1992 J. Phys. Chem. 96 9768

    [23]

    Segall M D, Indan P L D, Probert M J, Pickard C J, Hasnip P J, Clark S J, Payne M C 2002 J. Phys.: Condens. Matter 14 2717

    [24]

    Xie X J, Zhong L P, Liang Z H, Fan C M, Han P D 2013 Chin. J. Inorg. Chem. 29 2514 (in Chinese) [解学佳, 钟丽萍, 梁镇海, 樊彩梅, 韩培德 2013 无机化学学报 29 2514]

    [25]

    Rangelov G, Stober J, Eisenhut B, Fauster T 1991 Phys. Rev. B 44 1954

    [26]

    Borgen O, Seip H M 1961 Acta Chem. Scand. 15 1709

    [27]

    Billy M, Labbe J C, Selvaraj A, Roult G 1983 Mater. Res. Bull. 18 921

    [28]

    Lin W, Zhang Y F, Li Y, Chen Y, Li J Q 2006 Acta Phys. Chim. Sin. 22 76 (in Chinese) [林伟, 章永凡, 李奕, 陈勇, 李俊篯 2006 物理化学学报 22 76]

    [29]

    Milman V, Warren M C 2001 J. Phys.: Condens. Matter 13 241

    [30]

    Carson R D, Schnatterly S E 1986 Phys. Rev. B 33 2432

    [31]

    Liu E K, Zhu B S, Luo J S 2011 The Physics of Semiconductors (Beijing: Publishing House of Electronics Industry) p132-139 (in Chinese) [刘恩科, 朱秉升, 罗晋生 2011 半导体物理学(北京:电子工业出版社) 第132–139页]

    [32]

    Li G, Zhang W D, Li P W, Sang S B, Hu J, Zhao Q H, Chen X Y 2014 IEEE Trans. Electron Dev. 61 2963

    [33]

    Shen X C 1992 The Optical Properties of Semiconductor (Beijing: Science Press) p24 (in Chinese) [沈学础 1992 半导体光学性质(北京:科学出版社) 第24页]

    [34]

    Wang Y R, Zou Q, Lu D W 1994 Physics 23 350 (in Chinese) [王永瑞, 邹骐, 卢党吾 1994 物理 23 350]

  • [1]

    Lu X F, Chen M, Fan L, Wang C, Wang H J 2013 Appl. Phys. Lett. 102 031907

    [2]

    Yu B H, Chen D 2014 Acta Phys. Sin. 63 047101 (in Chinese) [余本海, 陈东 2014 63 047101]

    [3]

    Gritsenko V A 2012 Physics-Uspekhi 55 498

    [4]

    Papaioannou G J, Exarchos M, Theonas V 2006 Appl. Phys. Lett. 89 103512

    [5]

    Li G, San H S, Chen X Y 2009 J. Appl. Phys. 105 124503

    [6]

    Li G, Chen X Y 2012 Appl. Phys. A 109 539

    [7]

    Lu X F, La P Q, Guo X, Wei Y P, Nan X L, He L 2013 J. Mod. Phys. B 27 1250212

    [8]

    Lu X F, La P Q, Guo X, Wei Y P, Nan X L, He L 2013 Comput. Mater. Sci. 79 174

    [9]

    Yang L, Li J B, Yang X Z, Dai J H 2004 Chin. J. Rare Metals 28 609 (in Chinese) [杨柳, 李建保, 杨晓战, 戴金辉 2004 稀有金属 28 609]

    [10]

    Tong X G, Yang X Z, Li J B 2005 Rare Metal Mat. Eng. 34 508 (in Chinese) [童旭光, 杨晓战, 李建保 2005 稀有金属材料与工程 34 508]

    [11]

    Xu M, Ding Y C, Xiong G, Zhu W J, He H L 2008 Phys. B: Condens. Matter 403 2515

    [12]

    van Spengen W M 2012 J. Micromech. Microeng. 22 074001

    [13]

    Hasegawa S, Segawa M, Kurata Y 1986 Appl. Phys. Lett. 49 1178

    [14]

    Hasegawa S, Segawa M, Kurata Y 1988 J. Appl. Phys. 64 1931

    [15]

    Guo H H, Yang T, Tao P, Zhang Z D 2014 Chin. Phys. B 23 017201

    [16]

    Zhang C L, Han P D, Wang X H, Zhang Z X, Wang L P, Xu H X 2014 Chin. Phys. B 22 126802

    [17]

    Pan H Z, Xu M, Zhu W J, Zhou H P 2006 Acta Phys. Sin. 55 3585 (in Chinese) [潘洪哲, 徐明, 祝文军, 周海平 2006 55 3585]

    [18]

    Perdew J P, Burke K, Ernzerhof M 1996 Phys. Rev. Lett. 77 3865

    [19]

    Car R, Parrinello M 1985 Phys. Rev. Lett. 55 2471

    [20]

    Vanderbilt D 1990 Phys. Rev. B 41 7892

    [21]

    Wrazien S J, Zhao Y J, Krayer J D 2003 Solid-State Electron. 47 885

    [22]

    Fischer T H, Almlöf J 1992 J. Phys. Chem. 96 9768

    [23]

    Segall M D, Indan P L D, Probert M J, Pickard C J, Hasnip P J, Clark S J, Payne M C 2002 J. Phys.: Condens. Matter 14 2717

    [24]

    Xie X J, Zhong L P, Liang Z H, Fan C M, Han P D 2013 Chin. J. Inorg. Chem. 29 2514 (in Chinese) [解学佳, 钟丽萍, 梁镇海, 樊彩梅, 韩培德 2013 无机化学学报 29 2514]

    [25]

    Rangelov G, Stober J, Eisenhut B, Fauster T 1991 Phys. Rev. B 44 1954

    [26]

    Borgen O, Seip H M 1961 Acta Chem. Scand. 15 1709

    [27]

    Billy M, Labbe J C, Selvaraj A, Roult G 1983 Mater. Res. Bull. 18 921

    [28]

    Lin W, Zhang Y F, Li Y, Chen Y, Li J Q 2006 Acta Phys. Chim. Sin. 22 76 (in Chinese) [林伟, 章永凡, 李奕, 陈勇, 李俊篯 2006 物理化学学报 22 76]

    [29]

    Milman V, Warren M C 2001 J. Phys.: Condens. Matter 13 241

    [30]

    Carson R D, Schnatterly S E 1986 Phys. Rev. B 33 2432

    [31]

    Liu E K, Zhu B S, Luo J S 2011 The Physics of Semiconductors (Beijing: Publishing House of Electronics Industry) p132-139 (in Chinese) [刘恩科, 朱秉升, 罗晋生 2011 半导体物理学(北京:电子工业出版社) 第132–139页]

    [32]

    Li G, Zhang W D, Li P W, Sang S B, Hu J, Zhao Q H, Chen X Y 2014 IEEE Trans. Electron Dev. 61 2963

    [33]

    Shen X C 1992 The Optical Properties of Semiconductor (Beijing: Science Press) p24 (in Chinese) [沈学础 1992 半导体光学性质(北京:科学出版社) 第24页]

    [34]

    Wang Y R, Zou Q, Lu D W 1994 Physics 23 350 (in Chinese) [王永瑞, 邹骐, 卢党吾 1994 物理 23 350]

  • [1] 张英楠, 张敏, 张派, 胡文博. 基于第一性原理GGA+U方法研究Si掺杂β-Ga2O3电子结构和光电性质.  , 2024, 73(1): 017102. doi: 10.7498/aps.73.20231147
    [2] 姚熠舟, 曹丹, 颜洁, 刘雪吟, 王建峰, 姜舟婷, 舒海波. 氧氯化铋/铯铅氯范德瓦耳斯异质结环境稳定性与光电性质的第一性原理研究.  , 2022, 71(19): 197901. doi: 10.7498/aps.71.20220544
    [3] 张小娅, 宋佳讯, 王鑫豪, 王金斌, 钟向丽. In掺杂h-LuFeO3光吸收及极化性能的第一性原理计算.  , 2021, 70(3): 037101. doi: 10.7498/aps.70.20201287
    [4] 高立科, 赵先豪, 刁心峰, 唐天宇, 唐延林. 第一性原理对CsSnBr3施加静水压力后光电性质的探究.  , 2021, 70(15): 158801. doi: 10.7498/aps.70.20210397
    [5] 戚玉敏, 陈恒利, 金朋, 路洪艳, 崔春翔. 第一性原理研究Mn和Cu掺杂六钛酸钾(K2Ti6O13)的电子结构和光学性质.  , 2018, 67(6): 067101. doi: 10.7498/aps.67.20172356
    [6] 贾婉丽, 周淼, 王馨梅, 纪卫莉. Fe掺杂GaN光电特性的第一性原理研究.  , 2018, 67(10): 107102. doi: 10.7498/aps.67.20172290
    [7]
    1. 翟顺成, 郭平, 郑继明, 赵普举, 索兵兵, 万云, 
    第一性原理研究O和S掺杂的石墨相氮化碳(g-C3N4)6量子点电子结构和光吸收性质.  , 2017, 66(18): 187102. doi: 10.7498/aps.66.187102
    [8] 徐晶, 梁家青, 李红萍, 李长生, 刘孝娟, 孟健. Ti掺杂NbSe2电子结构的第一性原理研究.  , 2015, 64(20): 207101. doi: 10.7498/aps.64.207101
    [9] 潘凤春, 林雪玲, 陈焕铭. C掺杂金红石相TiO2的电子结构和光学性质的第一性原理研究.  , 2015, 64(22): 224218. doi: 10.7498/aps.64.224218
    [10] 廖建, 谢召起, 袁健美, 黄艳平, 毛宇亮. 3d过渡金属Co掺杂核壳结构硅纳米线的第一性原理研究.  , 2014, 63(16): 163101. doi: 10.7498/aps.63.163101
    [11] 曹娟, 崔磊, 潘靖. V,Cr,Mn掺杂MoS2磁性的第一性原理研究.  , 2013, 62(18): 187102. doi: 10.7498/aps.62.187102
    [12] 吴木生, 徐波, 刘刚, 欧阳楚英. Cr和W掺杂的单层MoS2电子结构的第一性原理研究.  , 2013, 62(3): 037103. doi: 10.7498/aps.62.037103
    [13] 刘玮洁, 孙正昊, 黄宇欣, 冷静, 崔海宁. 不同价态稀土元素Yb掺杂ZnO的电子结构和光学性质.  , 2013, 62(12): 127101. doi: 10.7498/aps.62.127101
    [14] 李泓霖, 张仲, 吕英波, 黄金昭, 张英, 刘如喜. 第一性原理研究稀土掺杂ZnO结构的光电性质.  , 2013, 62(4): 047101. doi: 10.7498/aps.62.047101
    [15] 王寅, 冯庆, 王渭华, 岳远霞. 碳-锌共掺杂锐钛矿相TiO2 电子结构与光学性质的第一性原理研究.  , 2012, 61(19): 193102. doi: 10.7498/aps.61.193102
    [16] 苏锐, 何捷, 陈家胜, 郭英杰. 金红石相VO2电子结构与光电性质的第一性原理研究.  , 2011, 60(10): 107101. doi: 10.7498/aps.60.107101
    [17] 乐伶聪, 马新国, 唐豪, 王扬, 李翔, 江建军. 过渡金属掺杂钛酸纳米管的电子结构和光学性质研究.  , 2010, 59(2): 1314-1320. doi: 10.7498/aps.59.1314
    [18] 胡志刚, 段满益, 徐明, 周勋, 陈青云, 董成军, 令狐荣锋. Fe和Ni共掺杂ZnO的电子结构和光学性质.  , 2009, 58(2): 1166-1172. doi: 10.7498/aps.58.1166
    [19] 关丽, 李强, 赵庆勋, 郭建新, 周阳, 金利涛, 耿波, 刘保亭. Al和Ni共掺ZnO光学性质的第一性原理研究.  , 2009, 58(8): 5624-5631. doi: 10.7498/aps.58.5624
    [20] 沈益斌, 周 勋, 徐 明, 丁迎春, 段满益, 令狐荣锋, 祝文军. 过渡金属掺杂ZnO的电子结构和光学性质.  , 2007, 56(6): 3440-3445. doi: 10.7498/aps.56.3440
计量
  • 文章访问数:  6404
  • PDF下载量:  360
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2014-06-23
  • 修回日期:  2014-09-25
  • 刊出日期:  2015-03-05

/

返回文章
返回
Baidu
map