Al-S共摻雜SnO2電子結(jié)構(gòu)的第一性原理研究

于 淼

(牡丹江師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，牡丹江 157011)

0 引 言

SnO2是一種透明導(dǎo)電氧化物，其空間群為P42/mnm，屬于直接帶隙半導(dǎo)體材料，實(shí)驗(yàn)帶隙值為3.6 eV，激子束縛能為130 meV[1-2]。由于其優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)[3-4]，被廣泛應(yīng)用于透光電極、液晶顯示、催化劑、發(fā)光二極管等諸多領(lǐng)域[5-8]。目前，Van de Walle研究小組[9]通過計(jì)算預(yù)測Al元素?fù)诫s可實(shí)現(xiàn)SnO2受主摻雜;逯瑤等[7]研究了Fe-S共摻SnO2材料的性質(zhì)，結(jié)果表明Fe-S共摻中S的加入可以增加Fe:SnO2體系帶隙內(nèi)電子態(tài)，增強(qiáng)材料的導(dǎo)電性；丁超等[10]研究了Sb、S共摻雜SnO2電子結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)，共摻可以窄化帶隙，隨著S原子濃度的增加，帶隙寬度繼續(xù)變小，導(dǎo)帶逐漸變窄，導(dǎo)電性能變得越來越好。而關(guān)于Al-S共摻的SnO2材料的第一性原理研究至今未見報(bào)道，因此本文主要應(yīng)用第一性原理的方法研究Al-S共摻雜的SnO2材料的電子結(jié)構(gòu)，以期為新材料的開發(fā)與實(shí)際應(yīng)用奠定一定的理論基礎(chǔ)。

1 模擬方法

1.1 計(jì)算方法

利用Material Studio 8.0的CASTEP軟件完成Al-S共摻雜SnO2電子結(jié)構(gòu)的第一性原理研究。在搭建模型進(jìn)行優(yōu)化時，交換關(guān)聯(lián)能采用廣義梯度近似(GGA)的PBE泛函，平面波截?cái)鄤菽苋?00 eV，布里淵區(qū)K點(diǎn)設(shè)為3×3×4。

1.2 理論模型

圖1 超晶胞模型Fig.1 Supercell model

本文的計(jì)算模型是SnO2的金紅石結(jié)構(gòu)，建立了2×2×2的超晶胞，通過分別替代超晶胞結(jié)構(gòu)中的Sn和O引入Al、S元素，進(jìn)行以下兩種情況的Al原子和S原子的共摻：(1)用一個Al和一個S替位摻雜一個Sn和一個O原子(1位置處的O)，即Al-S摻雜結(jié)構(gòu)；(2)用一個Al和兩S替位摻雜一個Sn和兩個O原子(1、2位置處的O)，即Al-2S摻雜結(jié)構(gòu)。兩種情況下Al的摻雜濃度為6.25%，S的摻雜濃度分別為3.123%和6.25%。超晶胞結(jié)構(gòu)如圖1所示。電子組態(tài)分別為Sn(5s25p2)、O(2s22p4)、Al(3s23p1)、S(3s23p4)。

2 結(jié)果與討論

2.1 能帶結(jié)構(gòu)

圖2為SnO2、Al摻雜、Al-S摻雜、Al-2S摻雜SnO2能帶圖，Al摻雜SnO2能帶圖如圖2(b)所示，帶隙值為1.087 eV，帶隙值低于純SnO2的帶隙值(1.468 eV)，說明Al原子能很好地調(diào)節(jié)SnO2的帶隙值，能帶曲線變得密集，能級數(shù)明顯增多，價帶頂有一條能級穿過費(fèi)米能級，說明Al摻雜SnO2材料呈現(xiàn)出半導(dǎo)體特性。Al-S摻雜SnO2能帶圖如圖2(c)所示，價帶和導(dǎo)帶整體下移，費(fèi)米面附近出現(xiàn)很窄的深雜質(zhì)能級，能級遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底和價帶頂，不容易電離，起復(fù)合中心的作用，能夠促進(jìn)電子、空穴的復(fù)合。圖2(d)為Al-2S摻雜SnO2能帶圖，整個體系能量下沉程度高于Al-S摻雜，費(fèi)米能級附近的雜質(zhì)能級距離導(dǎo)帶底更近，形成淺施主能級，減小了電子和空穴的復(fù)合幾率，這樣，雜質(zhì)能級的電子只需要較小的光子能量就可以躍遷到導(dǎo)帶，而且作為中間能級，電子從價帶躍遷到雜質(zhì)能級，再從雜質(zhì)能級躍遷到導(dǎo)帶的可能性提高，電子遷移能力增強(qiáng)。

圖2 SnO2、Al 摻雜SnO2、Al-S 摻雜 SnO2和Al-2S 摻雜 SnO2的能帶結(jié)構(gòu)
Fig.2 Band structures of SnO2, Al doped SnO2, Al-S doped SnO2and Al-2S doped SnO2

2.2 態(tài)密度

圖3為SnO2、Al摻雜、Al-S 摻雜和Al-2S 摻雜SnO2的總態(tài)密度和分波態(tài)密度圖。因?yàn)?20 eV以下能級距離費(fèi)米能級比較遠(yuǎn)，對費(fèi)米能級附近電子態(tài)作用影響不大，所以本文選取的能量信息為-20～10 eV。如圖3(a)所示，在SnO2態(tài)密度圖中，價帶主要由O原子的2s、2p態(tài)，Sn的5s、5p軌道貢獻(xiàn)；導(dǎo)帶主要由Sn的5s、5p及O的2p態(tài)提供。圖3(b)為Al摻雜SnO2態(tài)密度圖，對態(tài)密度貢獻(xiàn)最大的是O的2s、2p態(tài)，其次是Sn的5s、5p以及Al的3s、3p態(tài)。O的2p態(tài)曲線整體向右移動，使得總態(tài)密度曲線穿過費(fèi)米能級，這與能帶圖中價帶頂有一條能級穿過費(fèi)米能級相對應(yīng)。Al-S共摻時的SnO2態(tài)密度如圖3(c)所示，可以看到在-13 eV附近的深能級處，S的3s軌道與Al的 3s、3p軌道提供了一個雜質(zhì)峰，拓寬了價帶寬度，在費(fèi)米能級附近出現(xiàn)雜質(zhì)峰，由S的3p軌道貢獻(xiàn)。Al-2S共摻時的SnO2態(tài)密度如圖3(d)所示，在-15～-10 eV之間，S的3s軌道與Al的3s、3p軌道形成兩個雜質(zhì)峰，在費(fèi)米能級附近，S的3p態(tài)貢獻(xiàn)兩個雜質(zhì)峰，與Al-S共摻相比，S的3p態(tài)貢獻(xiàn)更大，其態(tài)密度值更大，并且在導(dǎo)帶，S的3p態(tài)也做出了較大的貢獻(xiàn)。

圖3 SnO2、Al 摻雜SnO2、Al-S 摻雜 SnO2和Al-2S 摻雜SnO2態(tài)密度和各原子分波態(tài)密度
Fig.3 Densities of states and densities of atomic partial wave states of SnO2, Al doped SnO2, Al-S doped SnO2and Al-2S doped SnO2

2.3 布局電荷分析

表1為本征和摻雜SnO2體系優(yōu)化后的各原子布局電荷和Mulliken重疊集局?jǐn)?shù)，表中各數(shù)據(jù)均已取平均值。根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以知道，在本征SnO2體系中，Sn的電荷布局?jǐn)?shù)為1.90，O的電荷布局?jǐn)?shù)為-0.95，帶正電荷的Sn原子失去電子，帶負(fù)電荷的O原子得到電子。摻雜以后，Sn原子失電子能力略有減小，O原子的電荷布局?jǐn)?shù)基本不變。S原子得到電子，與Sn、O原子構(gòu)成Al-S、Sn-S鍵，隨著S原子濃度的增加，其得電子能力減小。對比Al原子的電荷布局?jǐn)?shù)，隨著S原子的加入，其失電子能力減弱。Al-O之間的電子重疊布局隨著S的引入有增大的趨勢，說明原子之間重疊增加，共有化增強(qiáng)，而Sn-S鍵隨著S濃度增加而減小，但其值仍大于Sn-O鍵，材料結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。

表1 本征和摻雜SnO2體系優(yōu)化后的各原子布局電荷和Mulliken重疊集局?jǐn)?shù)Table 1 Mulliken bond population and intrinsic charge of SnO2 and doped SnO2 after optimization

3 結(jié) 論

本文基于第一性原理方法，采用廣義梯度近似(GGA)的PBE泛函，計(jì)算Al-S、Al-2S共摻SnO2的能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度以及Mulliken布局。研究結(jié)果表明,摻雜能夠使導(dǎo)帶和價帶能量整體下沉，增加雜質(zhì)帶，提高材料導(dǎo)電性。Al-S共摻SnO2材料費(fèi)米面附近出現(xiàn)很窄的深雜質(zhì)能級，主要由S的3p態(tài)貢獻(xiàn)，起復(fù)合中心的作用，不容易電離。而Al-2S共摻時，能量整體下沉程度更高，費(fèi)米能級附近形成的雜質(zhì)能級更淺，能級更靠近導(dǎo)帶底，其態(tài)密度仍由S的3p態(tài)貢獻(xiàn)，態(tài)密度值更大。Al-S、Al-2S共摻打破了SnO2電子平衡狀態(tài)，電荷密度重新分布。