C与Na掺杂AlN电子结构与光学性质的第一性原理研究.pdf

第41卷第2 期2024年4月J.At.Mol.Phys.,2024,41:021004(/pp)原子与分子物理学报JOURNAL OF ATOMIC AND MOLECULAR PHYSICSC与 Na掺杂 AIN电子结构与光学性质的第一性原理研究Vol.41 No.2Apr.2024苏尔琴，刘纪博，李梦娜，于宪省，郭思嘉，张丽丽，赵旭才，雷博程（伊犁师范大学物理科学与技术学院新疆凝聚态相变与微结构重点实验室，伊宁8 350 0 0）摘要：基于密度泛函理论(DFT)的平面波超软势法,计算了本征AIN,C-AIN,Na-AIN以及C-Na-AIN四种体系的电子结构和光学性质：得出结论：掺杂后各体系与本征AIN相比发生了晶格畸变，C-Na-AIN体系的结合能最小，体系最稳定，掺杂体系相比于本征AIN,禁带宽度都有不同程度的减小，导致电子在体系内跃迁时的概率增大，其中CNa A I N体系尤为明显，电子跃迁所需要的能量更小：掺杂后吸收带边发生了红移,拓宽了AIN体系对光的响应范围,增强了光吸收,并且C-Na一AIN体系在可见光区域内光吸收能力最强，在介电函数图的分析中可以得到,C-Na-AIN体系的介电常数最大，表明其电荷束缚能力最强，体系稳定性强，极化能力最好关键词：AIN；电子结构；光学性质；第一性原理中图分类号：0 47 2First-principles study on electronic structures and optical文献标识码：Aproperties of C and Na doped AIND0I:10.19855/j.1000-0364.2024.021004SU Er-Qin,LIU Ji-Bo,LI Meng-Na,YU Xian-Xing,GUO Si-Jia,ZHANG Li-Li,ZHAO Xu-Cai,LEI Bo-Cheng(Xinjiang Key Laboratory of Condensed Phase Transition and Microstructure,School of Physics,Yili Normal University,Yining 835000,China;)Abstract:Based on the plane waveultra soft pseudopotential method of density functional theory(DFT),the e-lectronic structures and optical properties of intrinsic AIN,C-AIN,Na-AIN and C-Na-AIN were calculat-ed.It is concluded that after doping,lattice distortion occurs in each system compared with intrinsic AIN,andthe binding energy of C-Na-AlN system is the smallest and the system is the most stable.Compared with theintrinsic AIN,the band gap width of the doped system decreases to varying degrees,resulting in an increase inthe probability of electron transition in the system,especially in the C-Na-AIN system,which requires lessenergy for electron transition.After doping,the absorption band edge has a red shift,which widens the responserange of AIN system to light and enhances the light absorption.Moreover,C-Na-AIN system has the strongestlight absorption ability in the visible light region.From the analysis of dielectric function diagram,it can be seenthat C-Na-AIN system has the largest dielectric constant,indicating that its charge binding ability is the stron-gest,the stability of the system is strong,and the polarization ability is the best.Key words:AIN;Electronic structure;Optical properties;First-principles收稿日期：2 0 2 2-0 7-2 7基金项目：新疆维吾尔自治区重点实验室开放课题（2 0 2 1D04015）；新疆维吾尔自治区高校科技计划项目（XJEDU2021Y044）；伊犁师范大学博士启动基金（2 0 2 1YSBS009）作者简介：苏尔琴（1998 一），男，伊犁师范大学研究生，主要从事半导体光催化性质及磁性的第一性原理的研究.E-mail:通讯作者：张丽丽.E-mail：s u y i 2 0 46 s i n a.c o m；赵旭才.E-mail：z x c 8 56 198 7 6 s i n a.c o m；雷博程.E-mail：l b c 0 42 8 s i n a.c o m021004-1第41卷1 引 言随着科技水平的进步，科研工作者对半导体材料的研究兴趣越来越强烈I-3。A IN作为第三代半导体材料的代表，在室温下AIN为六方纤锌矿结构，是良好的光电材料，具有较高的化学稳定性，高电子迁移率以及良好的压电和介电性能，除此之外，AIN带间跃迁波长可进人蓝绿光、紫外光、深紫外光区域，这使其主要应用在光学材料、电子元器件以及功率半导体器件领域但是对于本征AIN，其禁带宽度为6.2 eV，使得电子在体系中跃迁难度较大，这对材料的电子性能有巨大的影响9-11，因此对体系进行掺杂改性，对于更好地提升材料的光电性质有着十分重要的意义12 自从科学家发现能够通过不同元素掺杂从而改变本征化合物的的物理性质以来，掺杂改性成为了对半导体材料进行优化的重要方式13,14在对AIN掺杂改性的研究中，科学家15,16 通过对（G e、A g）等金属单掺AIN做了研究，结果表明金属单掺后的AIN体现出来一定的金属性，有效降低电子和空穴的复合概率，增强了体系的导电能力，增强了对长波的吸收强度，并且吸收带边发生红移，但是金属元素掺杂结合能较高，稳定性较差之后，科学家17-19用非元素（Si、C、P）对AIN进行掺杂，发现非金属掺杂可以使体系产生极化，吸收边向低能移动，能量损耗减小，禁带宽度由于非金属元素介人大大降低，且体系的光导率、吸附能力、以及其折光率都得到了提高，改善了体系在可见光区的吸收，但是非金属掺杂原子间的排斥作用大，很难与其他原子成键。为了结合金属与非金属单掺的优点，人们开始尝试共掺的方式去优化半导体材料：例如在（MgO、Cd-0、Cu-O、Li-O)共掺 AIN体系中2 0-2 3发现金属与非金属共掺体系可以使晶格收缩，禁带宽度减小，体系稳定性提高，并且体系呈现出p型特性徐百胜等人2 4对Na 和O元素掺杂AIN做了计算研究，数据表明NaA I N的价带顶态密度具有较强的局域化特性，不利于掺杂浓度的提高：与NaA I N相反，Na和O共掺AIN的价带顶态密度局域化特性明显减弱，受主能级变浅，体系的稳定性加强，有利于AIN的p型掺杂综上所述，可以发现在关于不同体系掺杂改性的研究中共掺体系得出来的效果更加优越2 5,2 6 由于原子与分子物理学报研究C、Na 共掺 AIN体系电子结构和光学性质的具体性质尚不明确，所以对C、Na 掺杂AIN的电子结构以及光学性质具有一定的研究意义：本文对 C-AIN 和 Na-AIN 以及 C-Na-AIN体系晶体进行电子结构和光学性质的理论计算及分析，基于密度泛函理论(DFT)的平面波超软势法进行计算，以期待为实验研究提供理论参考。2王理论模型与计算方法2.1王理论模型及计算方法本文应用密度泛函理论（Density functionaltheory，D FT)框架下广义梯度近似（General gradi-ent approximate，G G A）2 7.2 8，用平面波势方法2 9描述离子实与价电子的相互作用，经收敛性测试布里渊区的K格点和平面波截断能Ecu最终选取为552 和52 0 eV.自洽精度（SCF）采用2.010-eV/atom，晶体优化后的最大位移收敛精度2 10-4nm，单原子受力小于510-3eV/nm，内应力收敛标准为0.1 GPa.AIN室温下六方纤锌矿结构能够稳定存在，其空间群为 P63mc(No.186），晶格参数为=b=0.3112 nm，c=0.498 1 n m.A l N晶胞由两个hcp（六方密堆积结构)格子套构而成，图1(a）（d)为本征 AIN、C-A I N、Na-A I N 以及 C-Na-AIN的结构模型；在掺杂时，用C原子替换AIN中的一个N原子，Na原子替换一个Al原子其电子组态为 Al(3sp),N(2s*p*),C(2s*2p),Na(3S).3丝结果与讨论3.1昌晶格常数与稳定性分析对AIN掺杂前后的体系的研究中通过几何结构优化，得到具体的晶格常数和能量，如表1所示，其中、c 为单胞的晶胞参数，V为超晶胞的体积，AIN晶胞结构优化后所得到的晶胞参数与实验值和其他理论计算值进行比较，晶格常数与Paszkowicz等人30 1的实验数据误差不超过0.8%，掺杂后各体系的体积较AIN发生了明显的增大。由于C原子的原子半径为0.0 7 7 nm，比N的原子半径0.0 7 4nm大，掺杂后体系键长增长导致其晶胞体积增大，Na原子掺杂AIN时，Na的原子半径为0.18 6 nm，大于Al的原子半径0.143nm，所以掺杂后体积增大Na*替换AI3+使体系产生了晶格畸变31,32 为了进一步研究体系的稳定021004-2第2 期第41卷(a)(c)图1AIN掺杂前后的晶胞模型（a)AIN；（b)C-AIN;(c)Na-AIN;(d)C-Na-AINFig.1 Cell models before and after AIN doping:(a)pure AIN;（b)C s i n g l e d o p e d A I N;（c)Nasingle doped AIN;(d)C-Na Co-doped AIN性，通过对比四种体系的结合能.表1AIN掺杂前后的晶格常数、体积及结合能Table 1Lattice constants,volumes and binding energies be-fore and after AlN doping模型a/AAIN实验值30 3.110AIN6.272C-AIN6.282Na-AIN6.319C-Na-AIN6.369E其中E为体系的结合能,N表示体系内的原子总数，Esum表示体系所有原子能量的总和结合能体现了体系的稳定程度，结合能越小，体系越稳定，三种掺杂体系结合能均为负值，说明体系结合较稳定，其中C-NaA I N体系结合最稳定.3.2掺杂前后的能态结构与态密度计算了掺杂前后的能带结构与态密度，可以准确分析元素的掺杂对本征AIN电子结构的影响，如图2 所示，选取E,处为费米能级其中图中所标识的 G、F、Q、Z、G 是体系布里渊区的高位对称点，图1（a）（b）为本征AIN的能带结构图和态密度图，禁带宽度为3.990 eV，此计算数据与实验值6.2 eV33有较大差距，由于广义苏尔琴，等：C与Na掺杂AIN电子结构与光学性质的第一性原理研究(b)(d)b/Ac/A3.1104.9806.27210.038341.5156.28210.123345.365-7.1806.31910.179351.3197.3606.36910.119354.723-8.390Esum)(1)021004-3第2 期梯度近似不能准确地描述激发态，存在能隙值普遍偏低的情况，但是禁带宽度所表现出的趋势是可信的34图1（c）-（d)分别为 CA IN 的能态结构图和态密度图，从图中观察到费米能级处出现了明显的下降，使得禁带宽度下降到3.130 eV，这主要是C-2p态和N-2p态共同作用的结果，杂质C原子的引人使得费米能级穿过了价带，呈现出p型半导体特征。图1（e）（f)分别为 NaA I N 的能态结构图和态密度图，相较于本征AIN而言，禁带宽度同样减少，下降到了3.38 7 eV，这主要是Na3s态和Al-3s态共同作用而成但对于C-杂来说有明显的扩大，通过观察能带图发现，这是由于Na掺杂AIN，使得整体的导带向上移动，虽然掺杂使得价带上移，但是导带和价带的绝对能量差比C掺杂的要小，同时也说明在CNa A I N所有掺杂体系中，CA I N对于电子跃迁更加友好.图1(（g）-（h)分别为 C-NaA I N 的能态结构图和态密度图，通过能带图可以发现CNa-AIN体系在费米能级附近下降，禁带宽度下降到了2.8 18 eV，由态密度图可知下降的主要原因V(A3)E:(eV)是共掺体系中C-2p态和N-2p态的贡献，使得共掺体系呈现p型半导体特征，同时CNa A I N体系在电子跃迁时相比于单掺杂体系更有优势，由此可以推测该体系导电性能好，光催化活性强，3.3光学性质分析图3 是本征 AIN，C A I N，Na A I N 和 C-Na-AIN四种体系在波长为2 0 0 nm800 nm之间的吸收光谱图其中三种掺杂体系在可见光区域对电子有着明显的响应，其中C-NaA I N体系尤为明显，此现象在图1（g)中同样可以得到解释，其能带宽度达到了2.8 18 eV，在对比纯的AIN和单掺杂AIN体系的禁带宽度中达到最小，有利于电子跃迁同时在可见光区域CNa A I N体系的受主能级对光子的吸收响应能力较好，总体呈现上升趋势，CA IN体系的受主能级的吸收响应能力则稍显逊色，NaA IN体系在受掺杂体系中最弱，由图可知掺杂后较本征AIN体系发生了红移，这将拓宽AIN体系对光的响应范围，进一步增强体系的导电性能和增强体系的光催化活性C-NaA I N体系在可见光区域的光吸收能力最强，由此可以推测该体系的导电性最好在第41卷原子与分子物理学报835(a)0(b)6N2-4O862E.=3.990eV:第2 期SumMA1SEP421-2-4-5G8（c642E,=3.130 eVNFQZ.-GE-8-6-4-202Energy/eV(d)468SumCA1-2N4G8642E,=3.387eV:0FQ：ZGE,-6-4-202468Energy(eV)()SumSNaA12-45G8642E,=2.818eV0-245G图2能带结构图与态密度图：（a)本征AIN能带图；（b)本征AIN态密度图；（c)C-AIN能带图；（d)C-AIN态密度图；（e)Na-AIN能带图；（f)Na-AIN态密度图；（g)C-Na-AIN能带图；（h)C-Na-AIN态密度图Fig.22 Energy band structure diagrams and density of states diagrams:(a)intrinsic AIN energy band diagram;(b)intrin-sic AIN density of states diagram;(c)C-AIN band diagram;(d)C-AIN density of states diagram;(e)Na-AINenergy band diagram;(f)Na-AIN density of states diagram;(g)C-Na-AIN energy band diagram;(h)C-Na-AIN density of states diagram22-FQFQNZG.EZG021004-4-8-6-4-202468Energy(eV)(h)136-8-6-4-202468Energy(eV)SumCNaNA1第41卷此基础上本文对低能区吸收带边做了分析（见图3插图），发现掺杂后体系发生了明显的红移，这与光吸收谱图的结果一致，增强了体系的光催化活性。20苏尔琴，等：C与Na掺杂AIN电子结构与光学性质的第一性原理研究C-Na-AIN第2 期20(a)1612-pure-C-AIN.Na-AIN:-C-Na-AIN15AINC-AINNa-AINC-Na-AIN1050200图4（a）是掺杂前后各体系的介电函数实部图，其对应介电常数随着人射光能量的变化而变化，介电常数越大，对电荷的舒服能力越强，在无入射光线时，静介电常数是介电函数实部的纵坐标，本征AIN介电常数为15.6 31，C-AIN的介电常数为7.10 8，Na掺杂的介电常数为10.643，C-Na A I N的介电常数为17.7 0 9，此计算数据与未掺杂前的本征AIN相比，CA I N的介电常数最低，C-NaA IN体系的介电常数最高，由此可知，在研究掺杂AIN计算模拟中，C-NaA I N体系的介电常数最大，同时表明此掺杂体系电荷束缚能力最强，极化能力最好：图4(b)是本征 AIN 和 C、Na-A I N 和的 C-NaA I N杂体系的介电虚部曲线图，对应介质光吸收损耗图，从图中可知，在0-12 eV的区间之间总共出现了3个较为明显的峰，分别分布在0-1eV，7-8 e V，10-12 e V 之间，本征AIN体系，C-AIN 体系、Na-AIN 体系和 C-Na-AIN体系分别为7.7 7 7 eV，7.340 8 e V，7.7 15e V,7.676eV位置有最高峰，C-AIN体系在7.7 7 7eV的能量坐标下达到了四种体系的最高值为8.949，通过图1(d)CA I N体系的态密度图中可以解释说明，图4(b)中的最高值主要是由Al-3s态贡献的，表明CA IN体系在这四类体系下电子受束缚较弱，跃迁能力强，光吸收能力大。40010(b)8300400Wavelength(nm)图3吸收光谱图Fig.3Absorption spectrogram35006006Energy(eV)700800021004-59pureC-AINNa-AIN-C-Na-AIN6200图4AIN的介电函数曲线图：（a)介电实部；（b)介电虚部Fig,4Dielectric function curves of AIN:(a)Dielec-tric real part;(b)dielectric imaginary part4结 论密度泛函理论的第一性原理对掺杂体系光电性质的研究有重要意义，对 CA I N 体系，Na-AIN体系，以及CNa A I N体系进行了研究，计算分析了掺杂前后，晶格参数，电子分波态密度和光学性质由计算得到以下结论。(1)通过对体系晶格常数、体积、形成能及结合能的分析，可以得到掺杂后掺杂原子与本征AIN受掺杂体系相比较，体系发生了晶格畸变，C-Na-AIN体系共掺结合能最小，体系稳定性最好.(2)掺杂体系相比于本征AIN，禁带宽度都有不同程度的缩小，同时表明其导电性也有相应增强，其中 C-NaA IN体系尤为明显，由于共掺杂体系中带隙宽度窄小，电子跃迁更容易发生，表明其导电性能在四种体系中最强。（3)掺杂后吸收带边发生了红移，拓宽AIN体系对光的响应范围，进一步增强其光催化性能，1236Energy(eV)912第41卷C-Na-AIN体系在可见光区域光吸收能力最强，在介电函数图的分析中可以得到，CNa A I N体系的介电常数最大，表明其电荷束缚能力最强，体系稳定性强，极化能力最好，有利于电子空穴对的分离。参考文献：1Williams L,Kioupakis E.BAlGaN alloys nearly lattice-matched to AIN for efficient UV LEDsJ.Appl.Phys.Lett.,2019,115:231103.2Qu Y,Liu Y H,Wang F,et al.First principles studyon electronic structure and optical 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