透明导电氧化物纳米结构的掺杂、形状及尺寸效应的第一性原理研究。

透明导电氧化物(TCO)由于同时具备良好的导电性和透光性，因此，在太阳能电池、电子显示设备以及柔性电子器件等领域都有着广泛的应用。最近几年来，实验上制备出了许多低微TCO材料的纳米结构，然而，理论上对其电子结构的研究却相对较少。本项目主要通过构建TCO纳米结构的模型，计算TCO纳米材料的形状、尺寸、表面以及掺杂等对其电子结构和导电性能的影响，并指导TCO纳米结构在太阳能电池技术中应用。主要包括：（1）发展理论和计算方法用于准确描述TCO纳米结构中的电子结构，包括表面的处理，杂化泛函(PBE0,HSE)应用等。（2）构建TCO纳米结构的模型。（3）采用第一性原理方法，研究TCO纳米结构尺寸、形状以及掺杂对电子结构、载流子输运性质等的影响。主要研究材料有In2O3、SnO2及ZnO等。（4）研究TCO纳米结构表面和界面对导电性及光学性质影响。

透明导电氧化物(TCO)由于其独特的光电性质，在太阳能电池、平板显示设备、电致变色智能窗以及薄膜晶体管等领域都有着广泛的应用前景。在本项目中，我们采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，通过构建TCO纳米结构的理论模型，系统地研究了TCO纳米结构的表面、界面及杂质态对其电子结构和导电性能的影响，并指导TCO材料在太阳能电池技术中的应用。主要取得的成果有：1）研究了赝氢和真实氢钝化对TCO纳米结构的电子结构所产生的影响。我们发现，对于TCO纳米结构，真实氢钝化会在带隙中产生中间态，从而显著降低能隙，而赝氢总是增加能隙。随着元素电负性的降低，真实氢和赝氢钝化对纳米结构的能带结构影响会越来越小。我们首次利用能带耦合模型解释了这一现象。2）解释了非晶TCO及其非晶纳米颗粒与非晶共价化合物间导电不均衡性的物理根源，即，对于非晶TCO材料，非晶化所引入的杂质态主要分布在导带或价带边，属于浅能级杂质态，所以非晶TCO及其非晶纳米颗粒仍具有很好的电导率和透光性。而在非晶共价化合物中，非晶化将会引入大量的杂质态分布在能隙中间，形成局域的复合中心，从而大大地降低了电导率。我们也进一步用能带耦合模型清楚地解释了上述物理现象。3）研究了TCO ZnO同GaN超晶格界面结构及其稳定性，我们发现异价ZnO/GaN半导体超晶格的界面能，不仅取决于界面处的键能还取决于由一些错乱键（例如Ga-O或Zn-N键）所产生的库仑能。对于长周期的ZnO/GaN异价半导体超晶格，在所有的生长方向中，沿[110]方向生长具有最低的界面能，这主要是由于消除极化后所形成的界面中，沿[110]方向单位面积内有着最少错乱键数。