半导体ZnO掺杂改性研究
半导体ZnO掺杂改性研究是当前半导体领域的热点话题。氧化锌（ZnO）是一种常用的化学添加剂，具有良好的光电、热电与压电性质，是一种理想的短波长发光器件材料。通过适量掺杂可以提高氧化锌的热学性能，表现出较好的低阻特征，对有害气体、可燃气体等具有良好的敏感性。
本文讨论了多种金属如Al、Cu、Gd掺杂ZnO的理论方法，并总结了关于掺杂后ZnO的性质研究的结果。对ZnO掺杂的工程应用和实践具有指导意义。
针对氧化锌的制备和性质的研究已广泛引起学者的兴趣。氧化锌通过适量掺杂可以提高自身的热学性能，表现出较好的低阻特征，对有害气体、可燃气体等具有良好的敏感性。
本文对近年来多种金属物质掺杂氧化锌的理论方法、原理以及结果进行分析和总结，获得的结论有助于氧化锌掺杂的工程应用和实践。
理论方法
理想的ZnO是六角纤锌矿型结构，空间群为P63mc，Zn的六角密堆积和O的六角密堆积在c轴方向反向嵌套。晶格常数a=0.3249nm，b=0.5206nm，α=β=90°，γ=120°。Zn原子位于4个相邻O原子形成的四面体间隙，O原子的排列情况与Zn相似。
Al掺杂ZnO
ZnO的超晶胞共包含16个原子，其中8个O原子，8个Zn原子，是ZnO原胞在其基矢a、b方向上分别扩展一个单位得到的2×2×1的超晶胞。Al原子掺杂是在ZnO超晶胞中用一个Al原子替代一个Zn原子，掺杂浓度为12.5mol%。
计算所用Zn8O8晶格结构通过广义梯度近似（GGA）的PBE方法处理电子间的交换关联能，电子波函数通过平面波基矢组展开，并采用超软贋势来描述离子实与价电子之间的相互作用势。各原子的价电子组态分别为：O-2s22p4，Zn-3d104s2，Al-3s23p4。平面波截断能选择Ecut=300eV，总能量和电荷密度在对布里渊区的积分计算使用Monkhorst-Pack方案，k点的网格选取为4×4×4，自洽收敛精度为2×10-6eV/atom。
Cu掺杂ZnO
采用分子式为Zn8O8的超晶胞模型，Cu原子掺杂是在Zn8O8超晶胞中用一个Cu原子替代一个Zn原子。使用密度泛函理论计算ZnO体系的稳定结构。原子的位移收敛精度标准设置为0.001nm，价电子平面波函数基矢截断能量标准设置为340eV。各原子的价电子组态分别为：O-2s22p4，Zn-3d104s2，Cu-3d104s1。布里渊区k点的采样采用Monkhorst-Pack网格法进行，k点的网格选取为5×5×4，收敛精度为1×10-5eV/atom。
体系的声子分布和声子态密度通过声子计算得到，采用线性响应的密度泛函微扰理论基础上的第一性原理计算（DEPT）法进行声子相关计算，对布里渊区的积分计算采用傅里叶插值法。计算结果中布里渊区的高对称点分别取为G(0,0,0)，A(0,0,0.5)，H(-0.333,0.667,0.5)，K(-0.333,0.667,0.5)。
