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ZnO基半导体在蓝光和紫外光发射、高密度存储、气敏传感器、表面声波器件、太阳能电池、显示器件、压电器件、高温微电子器件、光电子器件等方面显示出广阔的应用前景,使其成为继GaN之后光电研究领域又一热门的研究课题。目前,尽管对ZnO电子结构、光学性质、表面和界面等方面进行了大量的理论和实验研究,但确切的电学性能、光学性能等仍存在着分歧。本文采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波赝势方法,对ZnO电子结构、掺杂改性、光学性质、体弹性模量以及应力下ZnO电子结构等性质进行了研究,所用软件为Materials Studio 3.2中的CASTEP软件。主要研究内容及其结果如下: 一、计算了纤锌矿ZnO晶格常数、能带结构、键结构、差分电荷密度、态密度和体弹性模量。ZnO理论预测是一种直接禁带半导体材料,导带底和价带顶都位于布里渊区中心Γ点处,直接带隙3.37eV。 二、利用材料模拟软件CASTEP精确计算了介质跃迁矩阵元,给出了ZnO的能量损失谱、介电函数、反射系数、消光系数以及其它相关光学参数。利用半导体带间跃迁理论和ZnO电子结构信息,对介电谱图和反射谱图的峰值进行了指认和判别,为试验图谱解析和精确监测和控制ZnO材料的生长提供了理论依据。 三、计算了外压调制下ZnO体系电子结构和光学性质,分析了外压对ZnO电子结构与光学性质的影响,对ZnO带隙随压力增大而展宽的现象进行分析。结果表明:随着压力的逐渐增大,Zn—O键长缩短,价带与导带分别向低能和高能方向漂移,带内各峰发生小的劈裂,带隙Eg明显展宽,Zn3d电子与O2p电子杂化增强。 四、探讨了ZnO的n型掺杂、p型掺杂以及p型共掺杂机制。模拟了Ⅲ族掺杂的n型ZnO材料的性质。结果表明掺杂后在导带底出现大量由掺杂原子贡献的自由载流子—电子,明显提高了电导率,改善了ZnO的导电性能。对于p型掺杂,掺杂V族元素的氧化锌材料在能隙中引入了深受主能级,载流子(空穴)局域于