基于阳离子替换的纤锌矿演化结构中p型透明导电体的计算与设计

Transparent conducting oxides constitute a unique class of materials combining properties of electrical conductivity and optical transparency in a single material. They are needed for a wide range of applications including solar cells, flat panel displays, touch screens, light emitting diodes and transparent electronics. However, many potential applications of TCOs are still limited by the lack of their p-type counterparts. This project plans to, by deriving the wurtzite structure to ternary beta-NaFeO2-type structure and quaternary liberite structure via cation-transmutation, and using first-principles calculations, explore the possible high-performance p-type TCOs. The extended "chemical modulation of the valence band" concept will be employed, i.e., to delocalize the top of the valance band by enhancing the orbital hybridization between O 2p and metal cations with different atomic orbital configurations. The completion of this project will not only provide new p-type TCOs, but also help to understand the underlying physical mechanism of TCO and improve the basic strategy of material inverse design by band engineering, and to shed some light on designing of other similar materials.

透明导电体（TCO）是结合了导电性和光学透明性的一类独特的宽禁带半导体材料，有着非常广泛的应用，如太阳能电池，平板显示器，触摸屏，发光二极管和透明电子器件等。但它的很多潜在应用仍受限于高效的p型TCO材料的缺乏。本项目计划通过阳离子替换的手段，把纤锌矿结构演化为三元β-NaFeO2结构和四元锂铍石结构，并利用第一性原理计算的方法，系统探索可能的优良p型TCO材料。其中将主要扩展"价带的化学调制"概念，通过引入不同原子轨道配置的金属阳离子来增强O 2p和金属阳离子之间的轨道杂化，对价带的顶部进行离域化。项目的完成将不仅提供可能的新型p型TCO材料，还将有助于深入理解TCO性能提高的物理机理，完善有关能带调制反向设计材料的基本策略，并给其它类似材料的设计开发提供参考。

发展高电导率和光透射率的透明导电p型材料(TCO)是凝聚态物理和材料科学的重要课题，具有极其重要的价值。本项目把关注点集中在纤锌矿演化结构，通过阳离子替换，演化纤锌矿结构来探索其中可能的优良的p型TCO材料，并对目前TCO存在着的问题的物理机理进行了深入研究，发展了TCO理论，同时开展新型TCO材料的优化设计，获得了系列创新结果：1）澄清了β-CuGaO2中基本能带结构特性，总结了离子置换引起的能带变化的基本物理规律，提出了如何改变其带边以实现高效p型导电的思路与策略；2）以二元Ga2O3为研究样本，得到其体材和二维材料中，离子置换所带来的结构稳定性，能带结构特征以及光电性质改变等差异性的基本物理规律，明确了基本的离子置换设计准则和具体实现方案。3）针对纤锌矿及其演化结构，研究了其结构稳定性机理，并发展了一种计算非中性表面的绝对表面能的方法，提出了一种新的p电子填充稳定性机制。项目执行期间，项目负责人作为第一或通讯作者共发表了高水平的SCI学术论文9篇。在人才培养方面，项目执行以来，培养博士3名，研究生9名。