ZnTe:Cu多晶薄膜结构和电性质

ZnTe:Cu多晶薄膜结构和电性质（精选3篇）

篇1：ZnTe:Cu多晶薄膜结构和电性质

ZnTe:Cu多晶薄膜结构和电性质

用共蒸发法在室温下制备了ZnTe:Cu多晶薄膜,利用XRD、AFM和XPS等测试技术对样品进行了表征,研究了掺Cu浓度和退火温度对薄膜物相和晶粒度的影响,分析了薄膜表面的元素状态.根据铜离子的变价行为对异常的电阻率温度关系作了解释.并确定了最佳掺铜浓度和退火温度.

作 者：吴晓丽 郑家贵 郝瑞英 冯良桓 蔡伟 蔡亚平张静全 黎兵 李卫 武莉莉 WU Xiao-li ZHENG Jia-gui HAO Rui-ying FENG Liang-huan CAI Wei CAI Ya-ping ZHANG Jing-quan LI Bing LI Wei WU Li-li 作者单位：四川大学材料科学与工程学院,成都,610064刊 名：功能材料与器件学报 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF FUNCTIONAL MATERIALS AND DEVICES年，卷(期)：13(6)分类号：O484关键词：ZnTe:Cu多晶薄膜 共蒸发系统 结构 电阻率～温度 ZnTe:Cu polycrystalline thin films co-evaporation system structure p～T

篇2：ZnTe:Cu多晶薄膜结构和电性质

目前关于MnSi1.7的主要研究在于其热电性质与光电性质。而材料的光电性能主要由介电函数、折射率、光电导率、吸收系数等表征,这些光学常数是由费米面附近的能带结构、迁移率与载流子浓度等决定,因此计算和研究材料的电子结构是非常有必要的[2,3]。到目前为止,关于HMS在硅衬底上的实验研究已有不少报道。而在理论研究上,2006年张民[4]首次利用第一性原理对MnSi1.7(Mn4S7相)的电子特性进行了理论计算,其后Migas等[5]计算了MnSi1.7各相(Mn4Si7相、Mn11Si19相、Mn15Si26相、Mn27Si47相)的能带、态密度和光学性质,认为MnSi1.7相的直接带隙为0.79eV。但在硅基上制备Mn4Si7薄膜时,由于Si衬底会对Mn4Si7的晶格常数产生影响,使Mn4Si7的晶格常数产生形变,从而影响Mn4Si7的电子结构等性质。

目前还没有对硅基外延MnSi1.7的理论研究。因此,本研究采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理赝势平面波计算方法对硅基外延MnSi1.7(Mn4S7相)薄膜的电子结构和光学性质等进行了理论计算,以期为该材料在光电性能方面的研究提供理论参考。

1 理论模型及计算方法

1.1 理论模型

Mn4Si7晶胞如图1所示,为简单立方烟囱-梯状结构(空间群为P-4c2,晶格常数a=b=0.5535nm,c=1.7463nm,晶面角α=β=γ=90°)。在晶胞中Mn原子有5个位置,Si原子有4个位置。

1.2 计算方法

本研究采用Material Studio 6.1中的CASTEP模块[6]完成所有的计算。其主要原理是,采用总能量平面波赝势方法,用赝势替代材料离子势,通过平面波基组展开电子波函数,并由广义梯度近似(GGA)或者局域密度近似(LDA)校正电子与电子之间的相关和交换势。从理论上来说,这种电子结构计算方法相对来说是比较准确的,从而在材料理论研究领域有着较为广泛的应用。

首先采用BFGS (Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shan-no)[7,8,9,10]算法对Mn4Si7晶体模型进行结构优化,然后用平面波基矢展开原胞中的价电子波函数,设定平面波的截断能Ecut=400eV,以及迭代过程中把收敛精度设定为5.0×10-7eV/atom,交换关联能部分采用广义梯度近似(GGA)来处理,其交换关联势则采用PBE[11]给出的公式,对于离子与电子间的相互作用采用超软赝势(Ultrasoft)[12]来处理;总能量的计算在倒易空间中进行,布里渊区积分则采用12×12×4的Monkhorst-Pack形式[13]的高对称特殊k点方法。在原胞晶格常数不优化,但原子位置和几何结构都进行优化的情况下,计算外延关系为Mn4Si7(001)//Si(001)的电子结构及光学性质。

2计算结果与分析

2.1 Mn4Si7体系优化

根据Mn4Si7在Si(001)存在异质结外延关系Mn4Si7(001)//Si(001),将Mn4Si7的晶格常数a、b约束在0.5431nm(硅基晶格常数),然后选取实验值为1.7463nm附近的c值构造不同原胞体积的Mn4Si7原胞,优化得到的总能量最小所对应的c值即为构成原胞最稳定的晶格常数。再用1.2节所述方法对原胞中原子位置进行优化,使得体系达到最稳定的状态。经过优化计算后得到外延关系为Mn4Si7(001)//Si(001),取向关系为Mn4Si7[001]//Si[001]时,晶格常数c与原胞总能量关系曲线以及Mn4Si7稳定的晶格常数如图2和表1 所示。从图2 可以看出,晶格常数c选取范围为1.730~1.760nm,当晶格常数c为1.747nm时,原胞的总能量处于最低点,此时硅基外延下的Mn4Si7达到了最稳定平衡态。

表1为经过优化后Mn4Si7的晶格常数,标有* 号的表示Mn4Si7受硅基的约束选取的晶格常数值。从表1中可以看出,计算所选取的值a和b的错配度只有1.7%,c只有0.04%,在可接受范围之内。通过表1中的值进行了所有的计算。

2.2 能带结构

通过计算可得到稳定状态下Mn4Si7沿布里渊区高对称点方向的能带结构,图3为Mn4Si7(001)//Si(001)选取了晶格常数a=b=0.5431nm,c=1.747nm,体系平衡时所得的费米面附近的能带结构图。

由图3可知,Г点处对应着Eg=0.834eV的直接带隙。通过与块体Mn4Si7能带结构的比较,外延平衡状态下Mn4Si7的带隙值变宽了。这主要是因为衬底与异质外延层之间存在晶格常数的差异,从而在晶体外延生长过程中导致晶格失配,使得界面产生各向同性或单向的形变,最终导致晶体薄膜的某些基本性质也产生了相应的变化。而Mn4Si7/Si界面的晶格形变使得Mn4Si7的直接带隙值有所增大。

2.3 态密度

由计算可知Mn4Si7的Mn原子的3d5为主要价电子,Si原子的3s2 与3p2 为价电子。 图4 为计算得到的稳态Mn4Si7总态密度(TDOS)与各亚层电子的Mn、Si分态密度(PDOS),单位是electrons/(cell eV),对于各亚层电子Mn、Si的分态密度,单位则是electrons/(atom eV)。

从图4可以看出,在-14~0eV的能量范围,Mn4Si7的态密度主要是由Mn的3d5态电子构成,Si的3s与3p态电子有一定的贡献;在0~2eV的能量范围,Mn4Si7的态密度主要是由Mn的3d5态电子及Si的3p态电子构成。因此,Mn4Si7价带主要是由Mn的3d5态电子构成;导带主要是由Mn的3d5态电子及Si的3p态电子构成。

2.4 光学性质

2.4.1 Mn4Si7的介电函数

由于通过介电函数可以很容易得到各种其他光谱信息,可以说介电函数的计算是至关重要的。对外延平衡体系下非极化的Mn4Si7介电函数进行计算后,所得介电函数实部ε1(Re)和虚部ε2(Im)变化曲线如图5所示。由图5可以看出,计算得到Mn4Si7的静态介电常数ε1(0)=14.48,在能量为0.6713eV处达到第1峰值。其介电函数虚部ε2则在能量为1.46eV和3.29eV处分别达到第1峰值和第2峰值,在能量大于10eV后便趋近于0。由于光谱是由能带间电子跃迁导致,所以其性质都可以用Mn4Si7的能带结构与态密度来解释。

2.4.2 Mn4Si7的吸收谱

半导体吸收系数是指光波在此半导体介质中单位传播距离光强度衰减百分比,根据半导体吸收系数与介电函数之间的关系α=ωε2/(nc)可以得到Si(001)基外延Mn4Si7的吸收谱,如图6 所示。 由图6 可知,对于Si(001)基外延Mn4Si7半导体介质,在入射光子能量高于16eV的区域范围内,Si(001)基外延Mn4Si7对光的吸收为0,表明在此范围时Si(001)基外延Mn4Si7是透明的。当入射光子能量为0~16eV时,随着入射光子能量的增加,Si(001)基外延Mn4Si7的吸收系数先增大后减小,当入射光子能量为5.9176eV时其吸收系数达到最大峰值1.29058×105cm-1。

2.4.3 Mn4Si7的复折射率

由介电函数与复折射率的关系ε1=n2-k2,ε2=2nk,可以得到Mn4Si7的复折射率。图7为Mn4Si7的复折射率(折射率n和消光系数k)随能量的变化。由图7 可知折射率n0=3.8056。n的主峰值出现在光子能量的值为0.7947eV处,此时折射率n=3.9568。到达最大值以后,由图7还可以看出,随着能量值的增加,折射率逐渐减小,当光子能量的值为3.0167eV时出现了第2个峰值n=1.7897。之后当光子能量为8.1836eV时,折射率n=0.2308到达一个谷值。随后折射率n随着光子能量上升而达到0.88附近。Mn4Si7的消光系数k从光子能量为0eV开始增长,同样也有2个峰值,分别出现在光子能量为1.7911eV和3.7926eV处,对应的消光系数k分别为2.2336与1.6775,在能量大于16eV的范围为0。

2.4.4 Mn4Si7的光电导率

通过光照而使得电导率改变的现象,称为半导体的光电导效应。图8是Mn4Si7的复光电导率。从图8中可以看出,Mn4Si7光电导率的实部在光子能量大于16eV的范围内为0,2个峰值分别出现在能量为1.6853eV和3.6074eV处,从其范围可以看出光电导率实部与其吸收系数的对应关系。

3 结论

利用第一性原理赝势平面波方法,对外延关系为Mn4Si7(001)//Si(001),取向关系为Mn4Si7[001]//Si[001]的Mn4Si7平衡体系下的电子结构和光学性质进行了理论计算。得到在晶格常数a=b=0.5431nm,c=1.747nm时的原胞总能量最小以及稳定状态下Mn4Si7的电子结构和光学性质。结果表明,由于Mn4Si7/Si界面的晶格形变而引起的能带畸变使得Mn4Si7带隙值有所增大,约为0.834eV;价带主要由Mn的3d5态电子构成,导带主要由Mn的3d5态及Si的3p态电子构成;静态介电常数ε1(0)=14.48,折射率n0=3.8056,并分析了Mn4Si7的吸收系数、光电导率的计算结果,为硅基外延的Mn4Si7的应用提供了理论基础。

摘要：基于第一性原理的密度泛函理论赝势平面波方法,对外延关系Mn4Si7(001)//Si(001),取向关系Mn4Si7[001]//Si[001]的Mn4Si7平衡体系下的电子结构和光学性质进行了理论计算,计算结果表明:当Mn4Si7晶格常数选取为a=b=0.5431nm、c=1.747nm时,Mn4Si7为带隙宽度为0.834eV的直接带隙半导体。Mn4Si7费米面附近的价带主要由Mn的3d5态电子构成,导带主要由Mn的3d5态电子及Si的3p态电子构成。静态介电常数ε1(0)=14.48,折射率n0=3.8056。

篇3：ZnTe:Cu多晶薄膜结构和电性质

摘要：利用磁控溅射在玻璃基片上制备了不同衬底温度下的ZnO薄膜，借助X射线衍射仪（XRD）、吸收光谱、光致发光谱（PL）等手段研究了衬底温度对ZnO薄膜的微结构、光致发光性能的影响，结果表明：所有样品均呈现ZnO六角纤锌矿结构且具有高度c轴择优取向；ZnO薄膜在可见区的吸收系数很小，在紫外区有很高的吸收系数；室温下的荧光光谱显示薄膜具有较强的紫光发射。

关键词：ZnO薄膜；衬底温度；光致发光谱

摘要：利用磁控溅射在玻璃基片上制备了不同衬底温度下的ZnO薄膜，借助X射线衍射仪（XRD）、吸收光谱、光致发光谱（PL）等手段研究了衬底温度对ZnO薄膜的微结构、光致发光性能的影响，结果表明：所有样品均呈现ZnO六角纤锌矿结构且具有高度c轴择优取向；ZnO薄膜在可见区的吸收系数很小，在紫外区有很高的吸收系数；室温下的荧光光谱显示薄膜具有较强的紫光发射。

关键词：ZnO薄膜；衬底温度；光致发光谱

摘要：利用磁控溅射在玻璃基片上制备了不同衬底温度下的ZnO薄膜，借助X射线衍射仪（XRD）、吸收光谱、光致发光谱（PL）等手段研究了衬底温度对ZnO薄膜的微结构、光致发光性能的影响，结果表明：所有样品均呈现ZnO六角纤锌矿结构且具有高度c轴择优取向；ZnO薄膜在可见区的吸收系数很小，在紫外区有很高的吸收系数；室温下的荧光光谱显示薄膜具有较强的紫光发射。