基于Al‑N共掺的ZnO金属陶瓷薄膜P型转化设计方法技术

本发明专利技术公开一种基于Al‑N共掺的ZnO金属陶瓷薄膜P型转化设计方法，N为介质材料，Al为掺杂金属，取Al与N的掺杂比例

【技术实现步骤摘要】
基于Al-N共掺的ZnO金属陶瓷薄膜P型转化设计方法
本专利技术涉及ZnO金属陶瓷薄膜材料，具体是指ZnO金属陶瓷薄膜材料的P型转化设计方法。
技术介绍
薄膜材料被广泛的用于激光器、太阳能电池、探测器、传感器、平板显示等领域，薄膜材料的性质决定了薄膜元器件的性质。ZnO具有高的激子束缚能（60meV），使其广泛在紫外和蓝光发射方面有巨大的应用潜力。由于本征ZnO存在电阻率高、稳定性差等缺点，限制了其在光电领域的应用，所以对ZnO的改进集中在掺杂改性。通常在本征ZnO中主要存在O空位和Zn间隙等本征缺陷，使ZnO天然呈现弱n型导电，所以对ZnO进行n型掺杂较为容易实现，使ZnO实现P型掺杂较为困难，从而限制了其在光电领域的应用。目前较为广泛的是采用氮（N）元素作为ZnO材料的P型转化掺杂物，然而，由于N在ZnO材料中的活性不强，与Zn难于成键，同时其固溶度很低导致杂质能级之间强烈的排斥作用使ZnO材料受主能级进一步变深，所以N元素单独的掺杂实际上很难获得P型ZnO半导体。为了解决这个问题，采用N与铝（Al）施主元素共掺作为ZnO材料的P型转化掺杂物，期望施主与受主能级之间的排斥作用能够使受主能级有所降低。但是，由于受主与施主的波函数之间通常存在差异，能级之间的相互作用并没有得到准确的规律，P型转化效果不佳，且共掺法的最终效果与掺杂比例有着很大的关系，据对Al与N共掺法中掺杂比例进行研究，最佳的掺杂比例仍然没有一个统一明确的方法。采用N与Al施主元素共掺时，为了实现ZnO金属陶瓷薄膜在光电子器件中的应用，对其电学特性的研究较为重要。由于材料的性能主要由构成材料的各原子核外电子之间的相互作用所决定。理论上，通过构建与之对应的多体薛定谔方程并求得方程的解，就能预知并获得该材料的许多特性，而由于多体之间的相互作用非常复杂，直接求解多体的薛定谔方程难以实现，其中H为哈密顿量，包括原子核和电子的动能与它们之间的相互作用能。为粒子总波函数，r为所有电子坐标的集合，R为所有原子核坐标的集合。公知的第一性原理是基于绝热近似将多体问题转化为多电子问题，而又基于单电子近似将多电子问题转化为单电子问题，从而将复杂的多体薛定谔方程转变成简单的单电子薛定谔方程实现对材料性能的计算，式中，为单粒子哈密顿算符，为双粒子哈密顿算符，i和j为粒子数。对于ZnO金属陶瓷薄膜的电学特性，在计算其能带结构时需要用到密度泛函理论，解决了单电子近似因忽略电子之间的交换-相关效应而受到的局限。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有ZnO材料的P型转化方法中所采用的Al与N共掺的最佳掺杂比例不能确定、P型转化效果不佳的问题，提出一种基于Al-N共掺的ZnO金属陶瓷薄膜P型转化设计方法，利用第一性原理的方法对不同掺杂比例的ZnO半导体薄膜进行分析，从而找出电性质最佳的配比，提高P型转化效果。本专利技术采用的技术方案是：具有以下步骤：（1）选择N为介质材料，Al为掺杂金属，取Al与N的掺杂比例q=x:y，x、y分别为Al、N的原子个数；（2）取q=0:0，计算q=0:0的ZnO能带结构并绘制能带结构图，能带结构图中能量为0eV处的费米能级Ef没有进入价带，判断出掺杂比例q=0:0未实现ZnO金属陶瓷薄膜P型转化；（3）改变掺杂比例q，分别增大x与y的值，使x与y相等或者两者的差值为1；（4）每改变一次q值都要计算改变后的该q值对应的ZnO能带结构，并绘制对应的能带结构图；（5）当按次取掺杂比例q时，从此次的能带结构图上判断费米能级Ef是否进入价带，如果费米能级Ef进入价带，则此次取的掺杂比例q为最佳掺杂比例，所对应的导电类型为P型，停止继续改变掺杂比例并输出该最佳掺杂比例；如果费米能级Ef没有进入价带，则此次的掺杂比q未实现P型转化，则继续依次改变掺杂比例q，直至得到最佳掺杂比例为止。本专利技术的有益效果是：本专利技术针对新型金属陶瓷薄膜的P型转化膜，使用Al-N共掺，利用第一性原理的方法模拟新型金属陶瓷薄膜材料的能带结构，运用计算机仿真的手段，模拟对比了不同情形新型金属陶瓷薄膜的P型转化电学特性，根据设计要求选择合适的掺杂金属及配比并进行制备，提高ZnO金属陶瓷薄膜P型转化效果，对降低新型光控电子器件等的研发成本及缩短研发周期有重要意义，为新型金属陶瓷薄膜的P型转化研发设计提供最佳方法，能提高设计效率，降低成本，准确、科学且效率高。附图说明图1是本专利技术基于Al-N共掺的ZnO金属陶瓷薄膜P型转化设计方法的流程图；图2是Al-N掺杂比例q=0:0所对应的ZnO能带结构图；图3是针对ZnO能带结构图的P型转化判断原理示意图；图4是Al-N掺杂比例q=1:0所对应的ZnO能带结构图；图5是Al-N掺杂比例q=0:1所对应的ZnO能带结构图；图6是Al-N掺杂比例q=1:1所对应的ZnO能带结构图；图7是Al-N掺杂比例q=1:2所对应的ZnO能带结构图。具体实施方式参见图1，本专利技术基于Al-N共掺的ZnO金属陶瓷薄膜P型转化设计方法的具体步骤如下：第一步：对ZnO金属陶瓷薄膜，选择N为介质材料，Al为掺杂金属。ZnO模型选为Zn16O16（32个原子的ZnO超晶胞模型为常用模型）。第二步，取Al与N的掺杂比例q=x:y，利用MaterialsStudio软件建立其对应的ZnO金属陶瓷薄膜的晶胞模型，掺杂后的ZnO模型记为AlxZn16-xNyO16-y，其中x为Al的原子个数,y为N的原子个数，x=0,1,2,…,16；y=0,1,2,…,16；第三步，初始q值取0:0，即q=0:0；第四步：利用基于密度泛函理论的第一性原理的方法及克拉默斯-克勒尼希（Kramers-Kronig）关系式，根据布里渊区的划分来计算掺杂比q=0:0的ZnO能带结构，绘制能带结构图。参见图2所示的初始掺杂比q=0:0的ZnO能带结构图，能带结构图中的横坐标为布里渊区位置，纵坐标为对应布里渊区所在能级的能量值，Ef是费米能级，即能量为0eV处的能级位置。再参见图3所示，对于ZnO能带结构，沿着能量纵轴方向有一段空白区域，称为带隙，能量高于带隙的部分为导带，能量低于带隙的部分为价带。也就是若费米能级Ef进入导带则导电类型为n型，若费米能级Ef进入价带则导电类型为P型。因此，由图2可以判断出，当Al与N的掺杂比q=0:0时，费米能级Ef并没有进入价带，说明掺杂比q=0:0未实现ZnO金属陶瓷薄膜P型转化，应改变掺杂比例q。第五步：改变掺杂比例q，分别增大x与y的值，使x与y相等或者两者的差值为1，如：分别取x=0，y=1；x=1，y=0；x=1，y=1；x=1，y=2；x=2，y=1；x=2，y=2；…、x=16，y=16，也即依次分别取q=0:1、q=1:0、q=1:1、q=1:2、q=2:1、q=2:2、…、q=16:16。每改变一次q值后，都要计算改变后的该q值对应的ZnO能带结构，并绘制对应的能带结构图。针对不同q值的能带结构，其导带或价带相对于费米能级Ef在能量轴方向的位置是不同的，相对于图2在能量轴方向的相对位置会随着q值的改变而变化，产生相对移动现象。第六步：当按次取掺杂比例q时，从此次的能带结构图上可判断出此次的费米能级Ef是否进入价带，如果此次的费米能级Ef进入价带，说明本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于Al‑N共掺的ZnO金属陶瓷薄膜P型转化设计方法，其特征是具有以下步骤：（1）选择N为介质材料，Al为掺杂金属，取Al与N的掺杂比例q=x : y，x、y分别为Al、N的原子个数；（2）取q=0:0，计算q=0:0的ZnO能带结构并绘制能带结构图，能带结构图中能量为0eV处的费米能级Ef没有进入价带，判断出掺杂比例q=0:0未实现ZnO金属陶瓷薄膜P型转化；（3）改变掺杂比例q，分别增大x与y的值，使x与y相等或者两者的差值为1；（4）每改变一次q值都要计算改变后的该q值对应的ZnO能带结构，并绘制对应的能带结构图； （5）当按次取掺杂比例q时，从此次的能带结构图上判断费米能级Ef是否进入价带，如果费米能级Ef进入价带，则此次取的掺杂比例q为最佳掺杂比例，所对应的导电类型为P型，停止继续改变掺杂比例并输出该最佳掺杂比例；如果费米能级Ef没有进入价带，则此次的掺杂比q未实现P型转化，则继续依次改变掺杂比例q，直至得到最佳掺杂比例为止。

【技术特征摘要】
1.一种基于Al-N共掺的ZnO金属陶瓷薄膜P型转化设计方法，其特征是具有以下步骤：（1）选择N为介质材料，Al为掺杂金属，取Al与N的掺杂比例q=x:y，x、y分别为Al、N的原子个数；（2）取q=0:0，计算q=0:0的ZnO能带结构并绘制能带结构图，能带结构图中能量为0eV处的费米能级Ef没有进入价带，判断出掺杂比例q=0:0未实现ZnO金属陶瓷薄膜P型转化；（3）改变掺杂比例q，分别增大x与y的值，使x与y相等或者两者的差值为1；（4）每改变一次q值都要计算改变后的该q值对应的Zn...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨平，赵艳芳，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32