Ga掺杂InN材料的第一性原理研究

摘 要 ： 用 密 度 泛 函 理 论 和 广 义 梯 度 近 似 的 超 软 赝 势 方 法 ， 利 计算 了含 有 高组 分 Ｉ ｎ的 ＩＧ Ｎ 材 料 的 晶格 常 ｎａ
数 、 成 能 和 能 带 结 构 ． 果 表 明 ：晶 格 常 数 随 着 Ｇ 形 结 ａ掺 杂 浓 度 的 增 加 而 减 小 ；当 Ｇａ原 子 替 代 掺 杂 Ｉ ｎ原 子 时 有
Ｖｏ． １ ＮＯ ３ １４ ．
Ｍａ 性原 理 研 究 ｎ 材
王 肖科 ，苏 日古 嘎 ，阿荣 高娃 ，赵 凤 岐 ，史俊 杰。
（． 蒙古 师 范 大 学 物 理 与 电子 信 息 学 院 ， 蒙古 呼 和 浩特 ０ ０ ２ ；２ 北 京 大 学 物 理 学 院 北 京 １０ ７ ） １内 内 １０２ ． ０ ８ １
最 低 的 形 成 能 ， 构 最 稳 定 ； 替 代 体 系 中 ， 着 Ｇａ 子 的浓 度 增 加 ，ｎ Ｎ 材 料 的带 隙 值 也 在 增 加 ． 算 结 果 结 在 随 原 ＩＧａ 计 与 其他 理论 计 算 及实 验 结 果 相 符 ． 关 键 词 ： ｎ Ｎ 材 料 ； 成 能 ；间 隙 和 替 代 ； 一 性 原 理 ＩＧａ 形 第
对 掺杂 缺陷 的研究 却鲜 有报 道． 于含 有 高 Ｉ 分 的保 持纤 锌 矿 结 构 的 ＩＧａ 材 料 ， 对 ｎ组 ｎ Ｎ 由于 在 制 备 时 的 困 难 ， 它的结 构缺 陷和性 质 了解还 比较模 糊［ ］ 本文 基 于平面 波赝 势方法 ， Ｉ Ｇ Ｎ材 料 和 Ｇａ原子 掺杂 缺 对 ３． 对 ｎａ 陷进行 了计算 ， 研究 其 晶格常 数和 杂质形 成能 ， 并对 能带 结 构做 了详 细分析 ．
３ ４ Ｖ （ Ｎ） 间可调 ， ． ｅ Ｇａ 之 为制备 各种 电学 器件 提 供 了一 种 具 有较 大 宽 度带 隙 谱 的研 究 材料 ， 是 在 光 学上 但
过量的 Ｉ ｎ并 不可取 Ｌ ． ７ ］
虽 然在 实验方 面人 们对 Ｉ Ｇ Ｎ材 料 的研 究 做 了 大量 的工作 ， 是 对 ＩＧ Ｎ 材 料 的第 一 性 原 理 计 算 和 ｎａ 但 ｎａ
Ｉ Ｎ 的带 隙在 ０ ７ Ｖ左 右［ ， ｎ ． ｅ ５ 而不是 先前 报道 ［ 的 １ ９ Ｖ， 的带隙之 所 以难 以确定 ， 遍认 为 是在 制 备 时 ］ ６ ］ ． 它 ｅ 普 产 生 的各种 缺陷造 成 的［ ． ７ 研究 表 明［ ， 过调 节 ＩＧａ 的组分 ， 以使该 材料 的带 隙值 在 ０ ７ Ｖ （Ｎ 到 ］ ８通 ］ ｎ Ｎ 可 ． ｅ ＩＮ）
Ｉ Ｎ材 料 的研究进 展 与 Ｇａ ｎ Ｎ材 料 的研究 进展 密切 相关 ［ ， ２ 由于纯 净 的 Ｉ Ｎ 材料 制 备非 常 困难 ， 以对 Ｉ Ｎ ］ ｎ 所 ｎ
材 料 的研 究 还处 于初级 阶段 ， 人们对 其 电学性 质 和光学 性质 的 了解远不 如其 他 Ⅲ族 氮 化物那 样透 彻 ， 研究 其 和应用 也很 不完善 ［ ］相 比而 言 ， ａ 材 料 在生 产 和测 试 技 术 等 方 面 则 更 为 成 熟． 期 的 实验 研 究 表 明 ， ３， 。 ＧＮ 近
个 Ｉ 子构 成 的掺杂体 系模 型． 算 间隙缺 陷时第 １个模 型是选 取一 个 Ｇａ原子 填充 到 纯净 Ｉ Ｎ 的八 面 体 ｎ原 计 ｎ
间隙 ， ２个 模型是 一个 Ｉ 子填 充到 晶体 体 系的八 面 体间 隙 ， 隙 Ｉ 子周 围有 一个 Ｇ 第 ｎ原 间 ｎ原 ａ原子 替 代 一个 Ｉ 子 的掺杂． ｎ原 为方便 表述 ， 中把计 算 模 型 分别 称 为 纯 净 ＩＮ 体 系 、 ａ原 子 替代 体 系 、 ａ原 子 间 隙 体 系 文 ｎ Ｇ Ｇ
中 图分 类 号 ：Ｔ ３ ４ ｉ Ｎ ． ０ 文 献标 志码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ － ７ ５ ２ １ ） ３ ０ ６ － ５ ０ １ ８ ３ （ ０ ２ ０ － ２ ９ ０
近 年来 ， Ⅲ族 氮化物 ＩＮ 由于在 制备 光 电 子材 料 方 面 的应 用 价值 而 引 起 了人 们 广 泛 的关 注和 研 究ｎ ． ｎ ］
１ 模 型 结构 和 计算 方法
１ １ 模 型 结 构 ．
理 想 的 ＩＮ 晶体 和 Ｇ Ｎ 晶体 均为 纤锌 矿 结 构 ， 于 Ｐ ３ 空 间群． 文 在计 算 替代 掺 杂 时 使 用 Ｇａ原 ｎ ａ 属 ６ｍ 本
子 替代 Ｉ 子 ， 算时 使用 了 ＩＮ 晶格 常 数 的 实验 值 ［ ：口 ＝０ ３ ０１ ｍ， 一０ ５ ４９ ｍ，／ 一 １ ５ ６ ｎ原 计 ｎ ８ 一６ ． ５ ｎ ｃ ． ４ ｃａ ． ５ ， ］ Ｄ ａ 一９ 。ｙ １ ０． 了 提 高 计 算 精 度 并 有 一 个 较 大 的 掺 杂 浓 度 范 围 可 选 ， 算 中使 用 了 ４ ＝ Ｏ ，一 ２ 。为 计 ８个 原 子 的 ３ ×２ 晶胞 模型． ｘ２ 超 替代 掺杂 和 Ｇ ａ原子 间 隙缺 陷模 型如 图 １ａ 和 （ ） （ ） ｂ 所示 ， 间隙原 子处 于周 围原子 所构成 的八 面体 间隙． 算 时 对 Ｉ 体 系 中 Ｇａ掺 杂浓 度 的 选择 （ ｚ取 值 ） 次 为 ０ ０ ０ １ ， ． ８ ３ 计 ｎ一 ＧａＮ 即 依 ，． ４ ６ ０ ０ ３３ ， ７ ０ １ ５ ０ １ ６ ７ ０ ２ ８ ３ Ｉ １ｘ 体 系是指 Ｇａ 子替 代 Ｉ ． ２ ，． ６ ，． ０ ．ｎ－ ＧａＮ ６ ３ 原 ｎ原子 的 体系 ， １ ｂ 为 １ Ｇ 图 （） 个 ａ原子 替 代一
第 ４ 卷 第 ３期 １
２１ ０ ２年 ５月
内蒙 古 师 范 大 学 学报 （ 自然 科 学 汉文 版 ）
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｎ ｅ ｏ ｇ ｌ ｒ ｌＵｎｖ ｒｉｙ （ ｔ ｒｌＳ ｉｎ ｅＥｄｔ ｎ ｏ ｒ ａ ｆＩ ｎ ｒＭ ｎ ｏｉ Ｎｏ ｍａ ｉｅ ｓｔ Ｎａ ｕ ａ ｃｅ ｃ ｉｉ ） ａ ｏ