高压下ZnO基合金的晶体结构及p型掺杂的理论研究

Realization of bandgap engineering is a key scientific issue for application of ZnO-based optoelectronic devices, which has become one of the hot research topics of physics, materials science and other disciplines. To date, the alloying of ZnO is to form MxZn1-xO and ZnO1-yAy ternary alloys (M = Mg、Cd、Ca、Be and A= S、Se、Te) through mainly doping with metal oxide or Zn-chalcogenes. At present, experimental and theoretical studies both showed that these alloys are found or predicted to phase separate at atmospheric pressure. We previously obtained the pressure-component phase diagram of MgZnO alloy and found that they can only exist in ordered ground-state structures under high pressure. On the basis of preliminary work, we want to confirm the high-pressure phase diagram of other alloys and Zn-O system by employing first-principles calculation method combined with structural searching technology, research deeply p-type doping and magnetism of the most stable alloys for MgZnO etc., and search for excellent p-type ZnxOy and ZnO-based alloys. The project can provide a new way and important theoretical data for the preparation of ZnO-based alloys. The research results are helpful for the bandgap engineering of ZnO.

实现能带工程是ZnO基光电器件应用的一个关键科学问题，已经成为物理学、材料科学等多学科的热点课题之一。目前，ZnO的合金化主要通过掺入金属氧化物或锌硫族化合物来形成MxZn1-xO(M为Mg、Cd、Ca、Be)和ZnO1-yAy（A为S、Se、Te）三元合金。现在的实验和理论研究均表明在常压下这些合金材料易发生相分离现象。我们前期从理论上给出了MgZnO合金的压力-组分相图，发现只有在高压下才能存在稳定的MgZnO合金。本项目拟在该研究的基础上，采用第一性原理计算方法结合结构搜索技术，确定其它合金体系和Zn-O体系的高压相图，深入研究MgZnO等稳定合金材料的p型掺杂和磁性，寻找具有优异性能的p型ZnxOy和p型ZnO基合金材料。通过该项目的实施可以为ZnO基合金材料的实验制备提供新的途径和重要的理论数据。研究结果对实现ZnO能带工程有着指导意义。

实现高性能的基于ZnO的光电器件走向实际应用的两个重要途径是：ZnO的p型掺杂和带隙的调制，而ZnO可以与MgO、CaO、BeO、CdO、SnO等形成合金化合物，使其带隙得到拓宽，因此我们希望在这些合金材料中寻找性能更好的替代材料。我们采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法和搜索结构技术，系统研究了ZnO基合金材料（ZnBeO、ZnCdO、ZnSnO、ZnTiO、ZnOS、ZnOTe、ZnGaO等）的高压结构及相关性质，分别给出了这些体系的压力-组分相图。研究结果表明ZnO和MgO、CaO、SnO和ZnS在高压下能形成形成焓为负值的合金化合物，而与其它的氧化物在高压下只能形成亚稳态的结构。.本项目关于ZnO基合金高压稳定结构的探讨，对新型p型ZnO基半导体的设计、性能的提高以及在极端条件下的应用有着重要的意义。