铜铁矿结构p型透明导电氧化物的研究

The study of transparent conductive oxides (TCO) has become one of the most important topic in new energy area. However, most TCO materials are n-type (electron conductive).For p-type (hole conductive) TCO material, the conductivity and carrier concentration are still very small, which can not satisfy the real application. This project aims to investigate the properties of p-type delafossite oxides, CuMO2 (M=Al, Ga, In, Sc, Cr), with first-principle calculations. Our research contains: i) clarify the mechanism of p-type conductivity and the reason of their low conductivity through exact electronic structure calculations. ii) Systematically study the impurity in this serials compound, in order to find the most efficient doping impurities to fabricate resistive p-type oxides. Our calculations will provide theoretical supports for experiments. The experiment conditions can be improved correspondingly and the doping efficiency can be increased and the low conductivity problem can be solved. iii) Compare with other p-type TCO compounds with copper and try to find the way design TCO materies.

，透明导电氧化物（TCO）的研究已经成为新能源领域中的一个重要的研究课题，目前TCO材料大多数是n型（电子型导电）材料，而p型TCO材料，即空穴导电的TCO材料，其电导率和载流子浓度还是非常小，远达不到应用的要求。本项目主要通过第一性原理计算的方法，对p型TCO材料铜铁矿系列含铜化合物CuMO2(M=Al, Ga, In, Y,Sc,Cr)进行研究。 研究内容包括：1）通过精确的电子结构计算系统的研究铜铁矿结构CuMO2系列化合物的p-型电导产生的机制，分析其电导率较低的原因。2）对这一系列化合物的掺杂进行一个系统的研究，寻找合适的掺杂元素，探索提高CuMO2系列化合物的p-型电导的可能方法。通过这两个内容的研究，将为实验提供理论支持，有针对性的改善实验条件，极大提高掺杂效率，解决p型TCO材料电导率过低的问题. 3）与其他结构含铜化合物的横向比较，探索p型透明导电氧化物的第一性原理设计。

透明导电氧化物（TCO）的研究已经成为新能源领域中的一个重要的研究课题。本项目主要采用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算的方法，结合实验上已有的关于CuMO2系列化合物的几何结构、光学性质的结果，研究CuMO2（M=Al, Ga, In, Sc, Cr）系列化合物的电子结构、本征缺陷的性质、杂质的性质。 我们的研究基本是按照计划进行，主要围绕寻找理想的掺杂体系，探索提高CuMO2系列化合物的p-型电导的可能方法进行。研究内容可以分为三个方面：1）单个元素的掺杂研究，对CuAlO2化合物中O位进行P, Si，C，等元素的掺杂。针对三价离子M位，进行了过渡金属元素Ni的掺杂；2）采用共掺杂方法提高p-型电导；3)新的铜铁矿结构化合物的电子结构研究, 如CuNdO2。研究结果发现在过渡金属Ni元素是较为合适的掺杂元素。当Ni掺入CuAlO2中，它更倾向于替换Al位，而不是替换Cu位。并且Ni替换Al形成浅受主，转变能级在价带顶之下0.4eV，是很好的p型杂质。Ni替换Al位，能够同时得到可控的载流子浓度性质和磁性。在共掺杂的研究中我们发现N-Mg共掺杂非常有利于CuCrO2的p-型电导的提高。我们的研究表明如果通过掺杂元素得到更好的p型电导，掺杂元素与宿主元素之间要有较大的杂化，在费米能附近形成较大的态密度。进行过渡金属元素的掺杂有利于开启这一系列化合物可控的磁性，另外共掺杂也是一种提高p型电导的可行方法。鉴于关于铜铁矿结构化合物新的实验结果较少，我们后期对项目进行了两个方面的拓展: 一是关注了其他新能源材料的掺杂改性，二是与本学院聂国政老师合作研究了透明导电氧化物在实际光电制备中如透明薄膜晶体管的应用。我们的理论和实验结果对于提高p型透明导电氧化物的载流子浓度，增加其在器件上的广泛应用非常有意义。