硫与碱土金属共掺杂p型CuAlO2薄膜光电特性的理论研究

The p-type CuAlO2 films attract widely attention due to their unique optoelectronic properties. However, the relatively low conductivity of p-type CuAlO2 films limits their further development and application. This project will study intrinsic relationships between different concentrations of S-doped, different alkaline earth elements doping as well as their co-doping and conductivity of films, and establish adjustable conductivity models. The main contents include: (1) The different concentrations of S-doped p-type CuAlO2 films models will be obtained, to get the influence of transparent conductivity and the optimum amount of S-doped; (2) The different alkaline earth elements doping models will be established, to find the law of carrier transport properties and the best acceptor of alkaline earth; (3) The co-doping models of S and alkaline earth will be obtained, to get the law of conductive mechanism and the optimal co-doping model. Finally, the conductive mechanisms and co-doping models provide theoretical guidance for further development and application of p-type CuAlO2 films.

p型CuAlO2薄膜因其在光电领域的独特性能，引起了人们的广泛关注。然而，p型CuAlO2薄膜相对较低的电导率限制了其进一步的发展和应用。本项目将系统研究不同浓度S掺杂、不同碱土元素掺杂以及其共掺杂与薄膜电导率的内在关系，建立电导率可调p型CuAlO2薄膜模型，主要研究内容包括：（1）建立不同浓度S掺杂p型CuAlO2薄膜模型，获得硫化对p型CuAlO2薄膜的透明导电性的影响规律，得到最优S浓度掺杂量；（2）揭示不同碱土金属的受主掺杂对p型CuAlO2薄膜载流子输运特性的影响规律，得到最佳碱土元素受主；（3）分析硫与碱土金属共掺杂p型CuAlO2薄膜的导电机制及其影响规律，建立最优共掺杂物理模型。最后，导电机制和模型的建立为p型CuAlO2薄膜的进一步发展和应用提供理论指导。

CuAlO2因其p型导电性引起了人们广泛地关注。然而，p型CuAlO2的电导率大大低于n型，这限制了其进一步的应用。本项目研究了不同浓度硫掺杂对p型CuAlO2几何结构和电子性质的影响，硫族元素氧位替代对p型CuAlO2电子结构和化学键的影响，二主族和二副族铝位替代对p型CuAlO2几何结构、电子性质的影响，以及碱土金属和硫共掺杂对p型CuAlO2几何结构、形成能、电子性质的影响。主要结论如下：（1）在本项目浓度研究范围内（1.85%，2.08%， 2.78%，4.17%和5.56%），不同浓度硫掺杂对p型CuAlO2带隙的影响是不明显的；（2）硫族元素氧位替代能有效地提高p型CuAlO2的光电性能；（3）二主族和二副族铝位替代p型CuAlO2的电子结构出现了新的特征，包括费米面上的受主能级，降低的带隙和增强的Cu-O共价性，这些特征都有助于提高p型电导率；（4）共掺杂能有效提高p型电导率。