第一性原理研究稀土掺杂ZnO结构的光电性质

李泓霖; 张仲; 吕英波; 黄金昭; 张英; 刘如喜

doi:10.7498/aps.62.047101

摘要

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,运用Castep计算分析了Er, Gd两种稀土元素掺杂的ZnO结构, 对本征ZnO和掺杂晶体的能带结构、态密度以及光学性质进行了分析对比. 由掺杂前后的结果分析发现,稀土掺杂的ZnO结构引入了由稀土原子贡献的导电载流子, 增强了体系的电导率, 费米能级上移进入导带. 研究表明由于稀土元素的掺入, ZnO结构在费米能级附近出现了杂质能带, 这是由稀土的4f态电子所形成. 同时, 纯净ZnO与Er-ZnO, Gd-ZnO和(Er, Gd)-ZnO的介电函数虚部有明显的差异. 在光学性质上, 掺杂ZnO在可见光区的吸收系数和反射率都比纯净ZnO高, 能量损失峰出现红移现象.

关键词:

ZnO /
稀土 /
掺杂 /
第一性原理

Abstract

In this paper we use first-principles full potential linearized augmented plane wave method to investigate the band structure, density of states as well as the optical properties of ZnO, intrinsic and doped separately with Er and Gd. We find that dut to the carriers contributed by the introduced impurity atoms of rare earth (RE), the electrical conductivity of the system is improved and the Fermi level has an upward shift to the conduction band. The data show that due to the doping of RE, there appear the new electron occupied states around the Fermi level. This is formed by the states of Er-4f and Gd-4f. Meanwhile, intrinsic ZnO and doped structures are obviously different. For the optical properties, the absorption coefficient and reflectivity of rare earth doped ZnO are higher than those of intrinsic ZnO in visible region and the energy loss spectra of RE doped ZnO structure present red-shift.

Keywords:

ZnO /
rare earth /
doping /
first principles

作者及机构信息

1.
济南大学物理科学与技术学院, 济南 250022;

2.
山东大学威海分校空间科学与物理学院, 威海 264209

基金项目: 山东省科技发展计划(批准号:2009GG2003028)和国家自然科学基金青年科学基金(批准号:11104114)资助的课题.

Authors and contacts

1.
School of Physics and Technology, University of Jinan, Jinan 250022, China;

2.
School of Space Science and Physics, Shandong University at Weihai, Weihai 264209, China

Funds: Project supported by the Development of Science and Technology Project in Shandong Province, China (Grant No. 2009GG2003028) and the Young Scientists Fund of the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11104114).

参考文献

[1]	Zhou Z, Komori T, Ayukawa T, Yukawa H, Morinaga M, Koizumi A, Takeda Y 2005 Appl. Phys. Lett. 87 091109
[2]	Lang J, Han Q, Yang J, Li C 2010 J. Appl. Phys. 107 074302
[3]	Tang Z K, Wong G K L, Yu P 1998 Appl. Phys. Lett. 72 3270
[4]	Zhang J K, Deng S H, Jin H, Liu Y L 2007 Acta Phys. Sin. 56 5371 (in Chinese) [张金奎, 邓胜华, 金慧, 刘悦林 2007 56 5371]
[5]	Mujdat C, Yasein C, Saliha I 2007 Phys. Stat. Sol. C 4 1337
[6]	Deng B, Sun H Q, Guo Z Y, Gao X Q 2010 Acta Phys. Sin. 59 1212 (in Chinese) [邓贝, 孙慧卿, 郭志友, 高小奇 2010 59 1212]
[7]	Zhou C J, Kang J Y 2006 Chin. J. Lumin. 27 917 (in Chinese) [周昌杰, 康俊勇 2006 发光学报 27 917]
[8]	Xia C H, Zhou M, Han X Y, Yin P F 2011 Mater. Rev. 25 11
[9]	Huang L M, Rosa A L, Ahuja R 2006 Phys. Rev. B 75 75206
[10]	Pei G Q, Xia C T, Wu B, Wang T 2008 Comput. Mater. Sci. 43 489
[11]	Liu Y, Tian T, Wang B 2008 J. Appl. Phys. 103 056104
[12]	Chen J T, Wang J, Zhang F, Zhang G A, Wu Z G, Yan P X 2008 J. Cryst. Growth 310 2627
[13]	Liu H, Yang J, Hua Z, Zhang, Yang L, Xiao L 2010 Appl. Surf. Sci. 256 4162
[14]	Jang Y R, Yoo K H, Ahn J S, Kim C, Park S M 2011 Appl. Surf. Sci. 257 2822
[15]	Bai Y F, Wang Y X, Yang K, Zhang X R, Song Y L, Wang C H 2008 Opt. Commun. 218 5448
[16]	Lang J H, Li X, Yang J H, Yang L L 2011 Appl. Surf. Sci. 257 9574
[17]	Minami T, Yamamoto T, Miyata T 2000 Thin Solid Films 366 63
[18]	Kaur R, Singh A V, Mehra R M 2004 Mater. Sci. Poland 22 201
[19]	Liu L, Yu P Y, Ma Z, Mao S S 2008 Phys. Rev. Lett. 100 127203
[20]	Seo S Y, Lee S, Park H D, Shin N, Sohn K S 2002 J. Appl. Phys. 92 5248
[21]	Bae J S, Jeong J H, Yi S S, Park J C 2003 Appl. Phys. Lett. 82 3629
[22]	Garcia-Murillo A, Luyer C L, Garapon C 2002 Opt. Mater. 19 161
[23]	Keiji W, Masatoshi S, Hideaki T 1999 J. Electroanal Chem. 473 250
[24]	Vanderbilt D 1990 Phys. Rev. B 41 7892
[25]	Perdew J P, Burke K, Ernzerhof M 1996 Phys. Rev. Lett. 77 3865
[26]	Guan L, Li Q, Zhao Q X, Guo J X, Zhou Y 2009 Acta Phys. Sin. 58 5634 (in Chinese) [关丽, 李强, 赵庆勋, 郭建新, 周阳 2009 58 5634]
[27]	Deng S H, Duan M Y, Xu M, He L 2011 Physica B 406 2314
[28]	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]
[29]	Duan M Y, Xu M, Zhou H P, Shen Y B, Chen Q Y, Ding Y C, Zhu W J 2007 Acta Phys. Sin. 56 5359 (in Chinese) [段满益, 徐明, 周海平, 沈益斌, 陈青云, 丁迎春, 祝文军 2007 56 5359]
[30]	Zhang X D, Guo M L, Li W X, Liu C L 2008 J. Appl. Phys. 103 063721
[31]	Lan W, Liu Y P, Zhang M, Wang B, Yan H, Wang Y Y 2007 Mater. Lett. 61 2262
[32]	Anomalous E B 1954 Phys. Rev. 93 632
[33]	Lu J G, Fujita S, Kawaharamura T, Nishinaka H, Kamada Y, Ohshima T, Ye Z Z, Zeng Y J, Zhang Y Z, Zhu L P, He H P, Zhao B H 2007 J. Appl. Phys. 101 083705

施引文献

[1]	Zhou Z, Komori T, Ayukawa T, Yukawa H, Morinaga M, Koizumi A, Takeda Y 2005 Appl. Phys. Lett. 87 091109
[2]	Lang J, Han Q, Yang J, Li C 2010 J. Appl. Phys. 107 074302
[3]	Tang Z K, Wong G K L, Yu P 1998 Appl. Phys. Lett. 72 3270
[4]	Zhang J K, Deng S H, Jin H, Liu Y L 2007 Acta Phys. Sin. 56 5371 (in Chinese) [张金奎, 邓胜华, 金慧, 刘悦林 2007 56 5371]
[5]	Mujdat C, Yasein C, Saliha I 2007 Phys. Stat. Sol. C 4 1337
[6]	Deng B, Sun H Q, Guo Z Y, Gao X Q 2010 Acta Phys. Sin. 59 1212 (in Chinese) [邓贝, 孙慧卿, 郭志友, 高小奇 2010 59 1212]
[7]	Zhou C J, Kang J Y 2006 Chin. J. Lumin. 27 917 (in Chinese) [周昌杰, 康俊勇 2006 发光学报 27 917]
[8]	Xia C H, Zhou M, Han X Y, Yin P F 2011 Mater. Rev. 25 11
[9]	Huang L M, Rosa A L, Ahuja R 2006 Phys. Rev. B 75 75206
[10]	Pei G Q, Xia C T, Wu B, Wang T 2008 Comput. Mater. Sci. 43 489
[11]	Liu Y, Tian T, Wang B 2008 J. Appl. Phys. 103 056104
[12]	Chen J T, Wang J, Zhang F, Zhang G A, Wu Z G, Yan P X 2008 J. Cryst. Growth 310 2627
[13]	Liu H, Yang J, Hua Z, Zhang, Yang L, Xiao L 2010 Appl. Surf. Sci. 256 4162
[14]	Jang Y R, Yoo K H, Ahn J S, Kim C, Park S M 2011 Appl. Surf. Sci. 257 2822
[15]	Bai Y F, Wang Y X, Yang K, Zhang X R, Song Y L, Wang C H 2008 Opt. Commun. 218 5448
[16]	Lang J H, Li X, Yang J H, Yang L L 2011 Appl. Surf. Sci. 257 9574
[17]	Minami T, Yamamoto T, Miyata T 2000 Thin Solid Films 366 63
[18]	Kaur R, Singh A V, Mehra R M 2004 Mater. Sci. Poland 22 201
[19]	Liu L, Yu P Y, Ma Z, Mao S S 2008 Phys. Rev. Lett. 100 127203
[20]	Seo S Y, Lee S, Park H D, Shin N, Sohn K S 2002 J. Appl. Phys. 92 5248
[21]	Bae J S, Jeong J H, Yi S S, Park J C 2003 Appl. Phys. Lett. 82 3629
[22]	Garcia-Murillo A, Luyer C L, Garapon C 2002 Opt. Mater. 19 161
[23]	Keiji W, Masatoshi S, Hideaki T 1999 J. Electroanal Chem. 473 250
[24]	Vanderbilt D 1990 Phys. Rev. B 41 7892
[25]	Perdew J P, Burke K, Ernzerhof M 1996 Phys. Rev. Lett. 77 3865
[26]	Guan L, Li Q, Zhao Q X, Guo J X, Zhou Y 2009 Acta Phys. Sin. 58 5634 (in Chinese) [关丽, 李强, 赵庆勋, 郭建新, 周阳 2009 58 5634]
[27]	Deng S H, Duan M Y, Xu M, He L 2011 Physica B 406 2314
[28]	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]
[29]	Duan M Y, Xu M, Zhou H P, Shen Y B, Chen Q Y, Ding Y C, Zhu W J 2007 Acta Phys. Sin. 56 5359 (in Chinese) [段满益, 徐明, 周海平, 沈益斌, 陈青云, 丁迎春, 祝文军 2007 56 5359]
[30]	Zhang X D, Guo M L, Li W X, Liu C L 2008 J. Appl. Phys. 103 063721
[31]	Lan W, Liu Y P, Zhang M, Wang B, Yan H, Wang Y Y 2007 Mater. Lett. 61 2262
[32]	Anomalous E B 1954 Phys. Rev. 93 632
[33]	Lu J G, Fujita S, Kawaharamura T, Nishinaka H, Kamada Y, Ohshima T, Ye Z Z, Zeng Y J, Zhang Y Z, Zhu L P, He H P, Zhao B H 2007 J. Appl. Phys. 101 083705

[1]	张丽丽, 夏桐, 刘桂安, 雷博程, 赵旭才, 王少霞, 黄以能. 第一性原理方法研究N-Pr共掺杂ZnO的电子结构和光学性质. , 2019, 68(1): 017401. doi: 10.7498/aps.68.20181531
[2]	黄炳铨, 周铁戈, 吴道雄, 张召富, 李百奎. 空位及氮掺杂二维ZnO单层材料性质:第一性原理计算与分子轨道分析. , 2019, 68(24): 246301. doi: 10.7498/aps.68.20191258
[3]	郭家俊, 董静雨, 康鑫, 陈伟, 赵旭. 过渡金属元素X(X=Mn,Fe,Co,Ni)掺杂对ZnO基阻变存储器性能的影响. , 2018, 67(6): 063101. doi: 10.7498/aps.67.20172459
[4]	侯清玉, 李勇, 赵春旺. Al掺杂和空位对ZnO磁性影响的第一性原理研究. , 2017, 66(6): 067202. doi: 10.7498/aps.66.067202
[5]	熊辉辉, 张慧宁. 稀土元素在α-Fe和Fe3C中分配行为的第一性原理研究. , 2016, 65(24): 248101. doi: 10.7498/aps.65.248101
[6]	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
[7]	鲍善永, 董武军, 徐兴, 栾田宝, 李杰, 张庆瑜. 氧分压对Mg掺杂ZnO薄膜结晶质量和光学特性的影响. , 2011, 60(3): 036804. doi: 10.7498/aps.60.036804
[8]	吴玉喜, 胡智向, 顾书林, 渠立成, 李腾, 张昊. 稀土元素(Y,La)掺杂ZnO的电子结构和光学性质. , 2011, 60(1): 017101. doi: 10.7498/aps.60.017101
[9]	张富春, 张威虎, 董军堂, 张志勇. Cr掺杂ZnO纳米线的电子结构和磁性. , 2011, 60(12): 127503. doi: 10.7498/aps.60.127503
[10]	袁娣, 黄多辉, 罗华峰, 王藩侯. Li, N双受主共掺杂实现p型ZnO的第一性原理研究. , 2010, 59(9): 6457-6465. doi: 10.7498/aps.59.6457
[11]	严国清, 谢凯旋, 莫仲荣, 路忠林, 邹文琴, 王申, 岳凤娟, 吴镝, 张凤鸣, 都有为. 共沉淀法制备Co掺杂ZnO的室温铁磁性的研究. , 2009, 58(2): 1237-1241. doi: 10.7498/aps.58.1237
[12]	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
[13]	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
[14]	羊新胜, 赵勇. 铁磁性锰氧化物掺杂的ZnO压敏电阻性能研究. , 2008, 57(5): 3188-3192. doi: 10.7498/aps.57.3188
[15]	段满益, 徐明, 周海平, 陈青云, 胡志刚, 董成军. 碳掺杂ZnO的电子结构和光学性质. , 2008, 57(10): 6520-6525. doi: 10.7498/aps.57.6520
[16]	于宙, 李祥, 龙雪, 程兴旺, 王晶云, 刘颖, 曹茂盛, 王富耻. Mn掺杂ZnO稀磁半导体材料的制备和磁性研究. , 2008, 57(7): 4539-4544. doi: 10.7498/aps.57.4539
[17]	毕艳军, 郭志友, 孙慧卿, 林竹, 董玉成. Co和Mn共掺杂ZnO电子结构和光学性质的第一性原理研究. , 2008, 57(12): 7800-7805. doi: 10.7498/aps.57.7800
[18]	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
[19]	段满益, 徐明, 周海平, 沈益斌, 陈青云, 丁迎春, 祝文军. 过渡金属与氮共掺杂ZnO电子结构和光学性质的第一性原理研究. , 2007, 56(9): 5359-5365. doi: 10.7498/aps.56.5359
[20]	刘学超, 施尔畏, 宋力昕, 张华伟, 陈之战. 固相反应法制备Co掺杂ZnO的磁性和光学性能研究. , 2006, 55(5): 2557-2561. doi: 10.7498/aps.55.2557

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