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Ga-Cd-O的电子结构和光学性质的第一性原理计算.docx
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Ga-Cd-O的电子结构和光学性质的第一性原理计算.docx
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随着科学技术的快速发展,半导体材料在光电器件、集成电路、光伏应用等领域有着
广泛的应用
[1-4]
,深受人们关注。β-Ga
2
O
3
作为新一代宽禁带半导体材料具有良好的热稳定
性、化学稳定性、高击穿电压及在可见光和紫外光区的高透过率等优异性能,在纳米材
料、日盲紫外探测器和高功率器件等方面具有广阔的应用前景
[5-7]
,因此引起了科研人员的
广泛关注,成为了当前的研究热点。
β-Ga
2
O
3
器件的能带结构与它的光电性能有密切联系,通过不同元素及不同含量的掺
杂,可以灵活地设计材料体系。近年来,Ga
2
O
3
材料的研究开始从单一薄膜的制备向合金
化材料转变。Bhuiyan 等
[8]
通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)在整个 Al 成分范围(0
< x≤100%) 内制备了(Al
x
Ga
1-x
)
2
O
3
薄膜,提出了(Al
x
Ga
1-x
)
2
O
3
薄膜在 β 与 γ 相之间的相变机
制。Demin 等
[9]
利用脉冲激光沉积技术制备了不同组分比例的 In
2
O
3
-Ga
2
O
3
混合氧化物多晶
薄膜,进一步研究了薄膜组成对表面形貌、气敏特性及可燃气体吸附和解吸能的影响,表
明 In
2
O
3
-Ga
2
O
3
薄膜具有作为半导体气体传感器的气敏材料的前景。
关于 Ga 掺杂 CdO 的相关实验目前已经有相关报道。Dakhel
[10]
通过蒸发法制备了低
Ga 掺杂 CdO 的薄膜样品,研究结果表明,Ga 掺杂扩大了 CdO 的能隙。Moholkar 等
[11]
通
过喷雾热解法制备了 CdO: Ga(GCO)薄膜,XRD 显示薄膜具有立方结构,且随着沉积温度
的升高,GCO 薄膜的结晶质量逐渐提高,晶粒尺寸逐渐增大。Deokate 等
[12]
利用化学喷雾
热解技术制备了未掺杂和 Ga 掺杂的氧化镉薄膜,光致发光(PL) 研究发现,纯 CdO 在掺杂
Ga 时会由紫外线发射转变为绿色发射。Li 等
[13]
通过脉冲激光法制备了低 Ga 掺杂浓度的
CdO 薄膜,随着 Ga 掺杂浓度增加,光学间隙在 2.49~2.85 eV 变化。Liu 等
[14]
在室温下通过
射频磁控溅射在 Ga 的整个成分范围内合成了(Cd
x
Ga
1-x
)
2
O
3
合金薄膜,XRD 显示具有高 Ga
含量(x > 0.3)的合金薄膜是非晶态;同时当 Ga 含量在 0.3~0.5 时,(Cd
x
Ga
1-x
)
2
O
3
合金表现出
高电子迁移率,在整个组成范围内,(Cd
x
Ga
1-x
)
2
O
3
合金具有 2.2~4.8 eV 的带隙可调范围。
关于 Cd 掺杂的 Ga
2
O
3
方面的相关研究较少。Yanagi 等
[15]
通过射频(RF) 磁控溅射制备
了 Cd-Ga-O 薄膜,薄膜带隙具有从 2.5~4.3 eV 的可调范围,同时还保持着高电子迁移率。
Xiao 等
[16]
通过溶液法制备了非晶 Ga
2
O
3
: CdO 薄膜,随着 Cd 从增加到 20%,光学带隙从
4.83 eV 减小到 4.05 eV,且随着 Cd 掺杂浓度的增加,相应的 TFT 器件显示出较大的导通
电压负移,同时所有 TFT 都对 260 nm 深紫外光和 UV/VIS 敏感。
关于 Ga
2
O
3
掺杂的基于密度泛函理论(DFT)第一性原理计算已有相关报道。Minseok 等
[17]
使用混合泛函的第一性原理计算发现,添加模拟合金系统中的掺杂剂可调节 α-Ga
2
O
3
的
带隙,提出了氧化镓基半导体的间接到直接带隙跃迁的新策略。Peelaers 等
[18]
使用混合密度
泛函理论研究了自由载流子对 Ga
2
O
3
性质的影响。Kumar 等
[19]
通过第一性原理计算研究了
块状 β-Ga
2
O
3
晶体中的热电效应。Zhang 等
[20]
使用基于密度泛函理论的第一性原理计算了本
征 β-Ga
2
O
3
和 N 掺杂 β-Ga
2
O
3
的能带结构、态密度、电子密度差和光学性质。计算结果表
明,N 掺杂是一种非常有前途的获得 P 型 β-Ga
2
O
3
的方法。Dong 等
[21]
采用基于密度泛函理
论的第一性原理计算来研究 α-Ga
2
O
3
中的单元素(Si,Sn,Mg)掺杂,为 α-Ga
2
O
3
的进一步应
用提供了参考。孟德兰等
[22]
采用 GGA+U 的方法研究了纯 β-Ga
2
O
3
和 Ti 掺杂 β-Ga
2
O
3
的电
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