姜如青， 歐陽劍， 楊 輝， 鄭樹文， 趙靈智， 宿世臣

(華南師范大學(xué)光電子材料與技術(shù)研究所，廣東省微納光子功能材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省低碳與新能源材料工程技術(shù)研究中心，廣州 510631)

In、Ga摻雜SnO2的第一性原理研究

姜如青， 歐陽劍， 楊 輝， 鄭樹文， 趙靈智， 宿世臣*

(華南師范大學(xué)光電子材料與技術(shù)研究所，廣東省微納光子功能材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省低碳與新能源材料工程技術(shù)研究中心，廣州 510631)

基于密度泛函理論的第一性原理平面波超軟贗勢(shì)方法，建立了本征SnO2、SnO2∶In、SnO2∶Ga和SnO2∶(In,Ga) 超晶胞模型并進(jìn)行了幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)其能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、電荷密度及光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了模擬計(jì)算. 結(jié)果顯示，與SnO2∶In和SnO2∶Ga相比，SnO2∶(In,Ga)的晶格常數(shù)更接近于本征SnO2，可有效降低SnO2材料摻雜體系的晶格畸變. SnO2中In、Ga的摻入能夠增大材料的帶隙值，且能帶結(jié)構(gòu)向高能方向移動(dòng)，材料呈現(xiàn)典型的p型半導(dǎo)體特性. SnO2∶(In,Ga)中，In與Ga摻雜原子和O原子的電子云呈現(xiàn)出共價(jià)鍵特性. 光學(xué)性能表明，SnO2∶(In,Ga)晶體中，光子能量在0～2.45 eV和大于6.27 eV的范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的介電性能，在微型微電子傳感器機(jī)械系統(tǒng)器件和高密度信息存儲(chǔ)等方面具有良好的應(yīng)用前景. SnO2∶(In,Ga)在可見光范圍內(nèi)具有105cm-1數(shù)量級(jí)的吸收系數(shù)，能夠強(qiáng)烈地吸收光能，在光電器件的吸收材料中具有潛在的應(yīng)用前景.

SnO2∶(In,Ga)； 共摻雜； 第一性原理； 電子結(jié)構(gòu)； 光學(xué)性質(zhì)

二氧化錫(SnO2)材料作為一種具有金紅石結(jié)構(gòu)的寬禁帶半導(dǎo)體材料(Eg=3.6 eV)[1-2]，由于具有可見光透光性好、紫外吸收系數(shù)大、制備溫度低、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定以及室溫下抗酸堿能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于液晶顯示器(LCD)、有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)、太陽能電池、氣體傳感器和場(chǎng)效應(yīng)晶體管等領(lǐng)域[3-9]. 高性能的n型和p型氧化物半導(dǎo)體材料對(duì)光電設(shè)備的穩(wěn)定性和工作效率起著至關(guān)重要的作用. 近年來，在p型摻雜SnO2透明導(dǎo)電氧化物(TCO)薄膜研究方面取得了一定的進(jìn)展. JI等[10]使用噴霧熱解法制備了In摻雜SnO2薄膜，其載流子濃度和遷移率分別為1018cm-3和10-2cm2/(V·s)；TSAY等[11]通過溶膠-凝膠和旋涂的方法制備了Ga摻雜SnO2薄膜，當(dāng)Ga質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到15%時(shí)，薄膜載流子濃度達(dá)1018cm-3、但遷移率僅10-2cm2/(V·s)；MAO等[12]通過應(yīng)用噴霧熱解和退火處理的方法制備了(In-Ga)共摻SnO2薄膜，載流子濃度達(dá)到1017cm-3、遷移率高達(dá)39.2 cm2/(V·s)，但樣品穩(wěn)定性較差；LIU等[13]通過第一性原理的方法研究了不同Al摻雜量的SnO2，但材料的電學(xué)性能與器件制備要求仍有一定差距. 據(jù)計(jì)算(In,Ga)共摻雜可以降低摻雜材料體系的晶格畸變，從而提高p型材料的遷移率. 目前，(In,Ga)共摻雜SnO2體系相關(guān)的理論計(jì)算研究鮮有報(bào)道，因此，本文通過第一性原理對(duì)(In,Ga)共摻雜SnO2體系進(jìn)行系統(tǒng)研究，揭示了摻雜元素對(duì)體系電子結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，從電子層次上了解不同雜質(zhì)在TCO材料中的作用，為獲得高性能的p型SnO2TCO薄膜提供理論指導(dǎo).

1 理論模型和計(jì)算方法

基于密度泛函理論方法，通過CASTEP[14]模塊對(duì)本征SnO2、SnO2∶In，SnO2∶Ga和SnO2∶(In,Ga)體系的晶體結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能和光學(xué)性能進(jìn)行計(jì)算和研究. 為構(gòu)建SnO2及其摻雜體系模型，采用2×2×3 SnO2超晶胞結(jié)構(gòu)(圖1A)，此超晶胞由12個(gè)SnO2原胞構(gòu)成，每個(gè)原胞中含有2個(gè)Sn原子和4個(gè)O原子，超晶胞原子總數(shù)為72個(gè). 對(duì)于SnO2∶In、SnO2∶Ga和SnO2∶(In,Ga)等摻雜結(jié)構(gòu)通過In或Ga替代Sn原子而得到，相應(yīng)的摻雜模型如圖1B～D所示.

圖1 SnO2、SnO2∶In、SnO2∶Ga及SnO2∶(In,Ga)的2×2×3超晶胞結(jié)構(gòu)

Figure 1 Models of supercell 2×2×3 SnO2, SnO2∶In, SnO2∶Ga and SnO2∶(In,Ga)

模擬計(jì)算時(shí)電子與電子之間的交換關(guān)聯(lián)使用局域密度近似(LDA)方法，原子實(shí)與價(jià)電子之間的相互作用勢(shì)使用超軟贗勢(shì)來描述，并選用Sn原子的5s25p2電子組態(tài)、O原子的2s22p4電子組態(tài)、Ga原子的3d104s24p1電子組態(tài)和In原子的4d105s25p1電子組態(tài)作為價(jià)帶空間電子進(jìn)行處理. 計(jì)算過程中對(duì)平面波截?cái)嗄芎腿祭餃Y區(qū)求和的Monkhorst-Pack型k點(diǎn)進(jìn)行了總能量收斂性測(cè)試，最終得到平面波截?cái)嗄茉O(shè)置為380 eV、k點(diǎn)數(shù)目為3×3×3時(shí)，晶胞能以最短的時(shí)間獲得最小的能量. 計(jì)算中首先采用LDA算法對(duì)SnO2晶胞結(jié)構(gòu)和原子位置進(jìn)行幾何優(yōu)化，收斂性條件：?jiǎn)卧娮幽芰烤葹槊總€(gè)原子5×10-6eV，原子間相互作用力精度為0.1 eV/nm，晶體內(nèi)應(yīng)力精度為0.02 Gpa，原子最大位移精度為5×10-5nm，自洽計(jì)算(SCF)容忍度設(shè)定為每個(gè)原子5×10-7eV. 當(dāng)上述幾個(gè)收斂精度條件達(dá)到時(shí)完成幾何優(yōu)化，最后對(duì)材料的能帶結(jié)構(gòu)、TDOS/PDOS、介電函數(shù)、光學(xué)吸收系數(shù)等性能進(jìn)行計(jì)算.

2 計(jì)算結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

本征SnO2、SnO2∶In、SnO2∶Ga和SnO2∶(In,Ga)體系計(jì)算的結(jié)果(表1)可知，本征SnO2晶格常數(shù)分別為a=0.468 6 nm、c=0.315 6 nm，與實(shí)驗(yàn)值[15]的a、c相比誤差僅為1.08%，此計(jì)算結(jié)果也與文獻(xiàn)[12]的計(jì)算結(jié)果相一致，表明本文計(jì)算使用的模型和方法是合理的.

表1 SnO2晶胞體系結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of SnO2 cells

注：a為實(shí)驗(yàn)值,b為理論值.

SnO2∶In的晶格常數(shù)大于本征SnO2，SnO2∶Ga的晶格常數(shù)小于本征SnO2，而SnO2∶(In,Ga)的晶格常數(shù)比SnO2∶In和SnO2∶Ga更接近于本征SnO2的，這是由于In3+半徑(0.081 nm)大于Sn4+半徑(0.071 nm)，而Ga3+半徑(0.062 nm)小于Sn4+半徑，所以(In,Ga)共摻雜可以減小SnO2材料體系由于摻雜所引起晶格畸變以及由晶格畸變所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，這與早前實(shí)驗(yàn)結(jié)果[12]相一致.

2.2 能帶結(jié)構(gòu)與態(tài)密度

本征SnO2的價(jià)帶頂 (VBM) 和導(dǎo)帶底 (CBM) 均位于布里淵區(qū)的G點(diǎn)處(圖2A)，表明SnO2是直接帶隙半導(dǎo)體，其能隙計(jì)算值為Eg=1.27 eV，與文獻(xiàn)[13]的計(jì)算結(jié)果一致，小于實(shí)驗(yàn)值3.6 eV[16]，這是由于CASTEP模塊交換關(guān)聯(lián)能考慮不足，造成對(duì)能隙寬度的低估，但不影響對(duì)計(jì)算結(jié)果的定性分析[14]. 本征SnO2的價(jià)帶分為2個(gè)區(qū)域：-19.36～-16.49 eV 的下價(jià)帶區(qū)域和 -8.65～0 eV的上價(jià)帶區(qū)域. 圖2B～D中SnO2∶In、SnO2∶Ga和SnO2∶(In,Ga)的帶隙分別為1.42、1.55、1.48 eV. 此結(jié)果表明：In、Ga屬ⅢA族摻雜SnO2能獲得更大的能隙值，且SnO2∶(In,Ga)共摻帶隙值介于SnO2∶In和SnO2∶Ga之間[13].

與本征SnO2相比，SnO2∶In、SnO2∶Ga和SnO2∶(In,Ga)材料的能帶結(jié)構(gòu)均向高能量方向移動(dòng)(圖2B～D)，材料呈現(xiàn)典型的p型半導(dǎo)體特性，這是由引入的摻雜元素作為受主雜質(zhì)在費(fèi)米能級(jí)以上產(chǎn)生空穴能級(jí)所造成的. 在-15 eV出現(xiàn)了新的能帶，主要由摻雜的Ga或In的電子態(tài)構(gòu)成，圖2D中新增能帶則由Ga-3d和In-4d的電子態(tài)共同構(gòu)成. 與SnO2∶In、SnO2∶Ga相比，SnO2∶(In,Ga)共摻使得VBM附近的雜質(zhì)帶拓寬，為價(jià)帶頂提供了更多空穴載流子，更好提高SnO2的p 型摻雜.

圖2 本征SnO2、SnO2∶In、SnO2∶Ga和SnO2∶(In,Ga)的能帶結(jié)構(gòu)
Figure 2 Band of SnO2,SnO2∶In,SnO2∶Ga and SnO2∶(In,Ga)

本征SnO2的 -19.36～-15.60 eV的下價(jià)帶區(qū)域主要由O-2s態(tài)和少量的Sn-5s以及Sn-5p態(tài)組成(圖3A)，但該區(qū)域?qū)?yīng)于電子的深能級(jí)軌道，遠(yuǎn)離光學(xué)帶隙而相對(duì)獨(dú)立，對(duì)費(fèi)米能級(jí)EF以及光學(xué)性質(zhì)幾乎沒有影響，所以在此不做討論.

在上價(jià)帶區(qū)域中，-8.65～-5.85 eV的價(jià)帶主要是Sn-5s以及O-2p軌道電子共同作用的結(jié)果. -5.85～0 eV的價(jià)帶主要由O-2p、Sn-5p以及少量Sn-5s共同貢獻(xiàn)組成. 導(dǎo)帶部分的低能級(jí)主要來自Sn-5s和O-2p的雜化相互作用，高能級(jí)部分對(duì)應(yīng)于O-2p、Sn-5s和Sn-5p耦合作用的結(jié)果. 上述計(jì)算的價(jià)帶寬約為8.7 eV，與文獻(xiàn)[17]中報(bào)道的8.6 eV的價(jià)帶寬度非常接近，而且各個(gè)峰值位置也吻合. 對(duì)圖3B～D 的摻雜SnO2，總態(tài)密度整體向高能方向移動(dòng)，費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入價(jià)帶，材料呈現(xiàn)p型半導(dǎo)體特性且價(jià)帶頂電子占據(jù)態(tài)主要來自O(shè)-2p態(tài)，同時(shí)由于雜質(zhì)的摻入導(dǎo)致-19.07～-15.34 eV的下價(jià)帶區(qū)的O-2s態(tài)、Sn-5s和Sn-5p態(tài)以及上價(jià)帶區(qū)域中，-8.47～-5.63 eV的上價(jià)帶的Sn-5s和O-2p電子態(tài)密度的貢獻(xiàn)顯著降低. 在圖3B、C中由于In或Ga的摻入總態(tài)密度在-12.25～-10.79 eV和 -12.90～-11.25 eV的價(jià)帶中分別出現(xiàn)了新的能級(jí)態(tài)密度，從分波態(tài)密度中可知，它們分別由In-4d和Ga-3d態(tài)電子貢獻(xiàn). 同時(shí)，-12.60～-10.75 eV處也同樣出現(xiàn)了新的能級(jí)密度(圖3D)，這是由In-4d和Ga-3d態(tài)電子共同耦合作用的結(jié)果，這與上述能帶結(jié)構(gòu)的結(jié)果相一致.

圖3 本征SnO2、SnO2∶In、SnO2∶Ga和SnO2∶(In,Ga)的總態(tài)密度和分波態(tài)密度Figure 3 PDOS of SnO2,SnO2∶In,SnO2∶Ga and SnO2∶(In,Ga)

為更好地理解摻雜元素對(duì)SnO2材料體系中電子相互作用的影響，對(duì)本征SnO2、SnO2∶In、SnO2∶Ga和SnO2∶(In,Ga)進(jìn)行了差分密度分析(圖4). 本征SnO2的差分密度圖(圖4A)中，Sn原子和O原子的電子云的方向特性不明顯，結(jié)合本征SnO2的DOS，可知SnO2是具有一定共價(jià)性的離子晶體.

摻雜SnO2的電子分布與本征SnO2的電子分布有很大的差異(圖4B～D). 對(duì)于摻雜SnO2，當(dāng)In或Ga原子代替Sn原子摻入后，In、Ga摻雜原子和O原子的電子云定向特征呈現(xiàn)出共價(jià)鍵特性，且摻雜原子周圍的電子密度較高，而O原子周圍的電子密度變低. 特別地，圖4D中由于In和Ga原子的共同摻入，導(dǎo)致Ga原子周圍的電子密度進(jìn)一步增加，In和Ga原子與周圍原子的相互作用增強(qiáng)，電荷向較低能級(jí)移動(dòng).

(A)本征SnO2; (B)SnO2∶In; (C)SnO2∶Ga; (D)SnO2∶(In,Ga)

圖4 本征SnO2、SnO2∶In、SnO2∶Ga和SnO2∶(In,Ga)的差分密度

Figure 4 Density difference of SnO2,SnO2∶In,SnO2∶Ga and SnO2∶(In,Ga)

2.3 光學(xué)性能

在線性光學(xué)響應(yīng)范圍內(nèi)，通常由光的復(fù)介電函數(shù)ε(ω) =ε1(ω)+ε2(ω)來描述固體的宏觀光學(xué)響應(yīng)函數(shù)，ε1(ω)為介電實(shí)部，ε2(ω)為介電虛部，通過占據(jù)態(tài)和非占據(jù)態(tài)波函數(shù)的動(dòng)量矩陣元求出[18].

(1)

其中，P是動(dòng)量矩陣元. 其他光學(xué)性質(zhì)，如吸收系數(shù)、反射率、折射率等也可由介電實(shí)部和虛部求出.

(2)

其中，m為自由電子質(zhì)量，e為電子電量，ω為入射光子頻率，C、V分別表示導(dǎo)帶和價(jià)帶，BZ表示第一布里淵區(qū)，K為倒格矢，∣e·MCV(K)∣2為動(dòng)量躍遷矩陣元，EC(k)、EV(k)分別為導(dǎo)帶和價(jià)帶上的本征能級(jí). 根據(jù)Kramer-Kronig色散關(guān)系由ε2(ω)求出.

本征態(tài)介電函數(shù)虛部譜僅在9.7 eV 處存在1個(gè)微弱躍遷峰(圖5A). 結(jié)合能帶圖和態(tài)密度圖可知，它主要來自 O-2p態(tài)到Sn-5p 能級(jí)間的電子躍遷. 摻雜的介電虛部譜中除了在8.6 eV附近處存在1個(gè)微弱躍遷峰外，另外在2.43 eV處有1個(gè)虛部為48的主介電峰(圖5A)，從能帶結(jié)構(gòu)(圖2)和差分密度圖(圖4)中可知，此介電峰的產(chǎn)生是由于In或Ga雜質(zhì)的摻入，與周圍原子發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，從而引起周圍原子電子能級(jí)發(fā)生改變，此峰主要來自O(shè)-2p態(tài)到Sn-5s能級(jí)間的電子躍遷.

圖5 本征SnO2、SnO2∶In、SnO2∶Ga 和SnO2∶(In,Ga) 的光學(xué)性質(zhì)Figure 5 Optical properties of SnO2, SnO2∶In, SnO2∶Ga and SnO2∶(In,Ga)

本征SnO2的介電常數(shù)ε1(ω)為2.09(圖5B)，而SnO2∶In、SnO2∶Ga和SnO2∶(In,Ga)的ε1(ω)分別為19.33、3.40和17.25，明顯大于本征材料的介電常數(shù)，說明In或Ga的摻雜能夠提高材料體系的介電常數(shù). 對(duì)于SnO2∶In、SnO2∶Ga和SnO2∶(In,Ga)摻雜體系的能帶帶隙與介電常數(shù)呈相反的趨勢(shì)，這與文獻(xiàn)[19]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.

對(duì)于SnO2∶(In,Ga)，從0～1.72 eV，介電函數(shù)的實(shí)部ε1(ω)隨著能量的增加而增大，且在1.72 eV處達(dá)最大. 在1.72 eV之后ε1(ω)隨著能量的增加而急劇減小，在3.07 eV處降至最小. 此時(shí)帶間躍遷的電子發(fā)生諧振型光吸收，與介電函數(shù)虛部ε2(ω)在2.37 eV處的介電峰相對(duì)應(yīng). 介電函數(shù)實(shí)部曲線在0之上，表示此時(shí)晶體表現(xiàn)為介電行為，而在0之下時(shí)表現(xiàn)為金屬行為，因此，當(dāng)光子能量在0～2.45 eV和大于6.27 eV的范圍時(shí)SnO2∶(In,Ga)晶體表現(xiàn)為介電性，在2.45～6.27 eV的能量范圍內(nèi)晶體表現(xiàn)為金屬特性，在微型微電子傳感器、機(jī)械系統(tǒng)器件和高密度信息存儲(chǔ)等方面具有潛在的應(yīng)用前景.

本征SnO2的光學(xué)吸收譜中僅存在1個(gè)寬的吸收峰(圖5C)，且該峰在9.7 eV處達(dá)到最大值，與圖5A中主介電峰的電子躍遷峰位一致. 與本征態(tài)下的吸收譜相比SnO2∶In、SnO2∶Ga 和SnO2∶(In,Ga)三種摻雜結(jié)構(gòu)的吸收曲線整體上的變得平緩，吸收曲線中出現(xiàn)了與主介電峰相對(duì)應(yīng)2個(gè)主吸收峰，并且在低能階段表現(xiàn)出了高于本征SnO2的吸收系數(shù). 特別地，SnO2∶(In,Ga)的吸收曲線中較大吸收峰數(shù)值和最大的能量吸收范圍，且具有105cm-1的吸收系數(shù)，預(yù)示著SnO2∶(In,Ga)可吸收光的波段范圍變寬，能強(qiáng)烈地吸收光能，在光電器件的吸收材料中具有潛在的應(yīng)用前景.

3 結(jié)論

采用第一性原理的密度泛函理論對(duì)本征SnO2、SnO2∶In、SnO2∶Ga和SnO2∶(In,Ga)體系的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能進(jìn)行了計(jì)算. 結(jié)果表明，計(jì)算所采用的模型與實(shí)驗(yàn)值相比誤差僅為1.08%，說明本計(jì)算所使用的模型和方法的合理性. SnO2∶(In,Ga)相比于SnO2∶In和SnO2∶Ga可以有效降低In、Ga摻雜引起的晶格畸變；能帶結(jié)構(gòu)中，SnO2∶In、SnO2∶Ga和SnO2∶(In,Ga)的帶隙分別為1.42、1.55、1.48 eV，均大于本征SnO2的帶隙值(1.27 eV),且其在-15 eV周圍出現(xiàn)了新的能帶結(jié)構(gòu)；與本征SnO2相比，摻雜SnO2態(tài)密度整體向高能方向移動(dòng)，呈現(xiàn)p型半導(dǎo)體特性；相比本征SnO2，摻雜SnO2在2.43 eV處出現(xiàn)了1個(gè)主介電峰，此峰主要來自O(shè) 的 2p 態(tài)到 Sn 的 5s能級(jí)間的電子躍遷；光學(xué)吸收譜中，本征SnO2存在1個(gè)寬吸收峰，與主介電峰的電子躍遷峰位一致；SnO2∶(In,Ga)的吸收曲線中具有較強(qiáng)吸收峰和寬的能量吸收范圍，且具有105cm-1的吸收系數(shù)，預(yù)示著SnO2∶(In,Ga)可吸收光的波段范圍變寬，能強(qiáng)烈地吸收光能，在光電器件的吸收材料中具有潛在的應(yīng)用前景.

[1] DOLBEC R,KHAKANI M A E,SERVENTI A M,et al. Microstructure and physical properties of nanostructured tin oxide thin films grown by means of pulsed laser deposition [J]. Thin Solid Films,2002,419(1/2):230-236.

[2] AUKKARAVITTAYAPUN S,WONGTIDA N,KASECWATIN T,et al. Large scale F-doped SnO2coating on glass by spray pyrolysis [J]. Thin Solid Films,2006,496(1):117-120.

[3] BATZILL M,KATSIEV K,DIEBOLD U,et al. Surface morphologies of SnO2(110) [J]. Surface Science,2003,529(3):295-311.

[4] BATZILL M,KATSIEV K,BURST J M,et al. Gas-phase-dependent properties of SnO2(110),(100),and (101) single-crystal surfaces: structure,composition,and electronic properties [J]. Physical Review B,2005,72(16):165414.

[5] VAHDATIFAR S,KHODADADI A A,MORTAZAVI Y. Effects of nanoadditives on stability of Pt/SnO2as a sensing material for detection of CO [J]. Sensors & Actuators B： Chemical,2014,191:421-430.

[6] ELLIOTT S D,BATES S P. Energetically accessible reconstructions along interstitial rows on the rutile (110) surface [J]. Physical Chemistry Chemical Physics,2001,3(11):1954-1957.

[7] BUSIAKIEWICZ A,KLUSEK Z,ROGALA M,et al. The new high-temperature surface structure on reduced TiO2(001) [J]. Journal of Physics Condensed Matter,2010,22(39):395501.

[8] LIU H. Double-gate SnO2nanowire electric-double-layer transistors with tunable threshold voltage [J]. Applied Physics Letters,2015,106(23):233114.

[10]JI Z,ZHAO L,HE Z,et al. Transparent p-type conducting indium-doped SnO2,thin films deposited by spray pyrolysis [J]. Materials Letters,2006,60(11):1387-1389.

[11]TSAY C Y,LIANG S C. Fabrication of p-type conductivity in SnO2,thin films through Ga doping [J]. Journal of Alloys & Compounds,2015,622:644-650.

[12]MAO Q,JI Z,ZHAO L. Mobility enhancement of p-type SnO2,by In-Ga co-doping [J]. Physica Status Solidi,2010,247(2):299-302.

[13]LIU Y M,ZHAO L Z,QIN K N,et al. First-principles study of effects of Al doping on electronic structures and optical properties of SnO2[J]. Material Research Innovations,2014,18(S2):522-526.

[14]LINDAN P J D. First-principles simulation: ideas,illustrations and the CASTEP code [J]. 2002,14(11):2717-2721.

[15]THANGARAJU B. Structural and electrical studies on highly conducting spray deposited fluorine and antimony doped SnO2,thin films from SnCl2,precursor [J]. Thin Solid Films,2002,402(1/2):71-78.

[16]YU B,ZHU C,GAN F. Exciton spectra of SnO2,nanocrystals with surficial dipole layer [J]. Optical Materials,1997,7(1/2):15-20.

[17] 徐劍,黃水平,王占山,等. F摻雜SnO2電子結(jié)構(gòu)的模擬計(jì)算[J]. 物理學(xué)報(bào),2007,56(12): 7195-7200.

XU J,HUANG S P,WANG Z S,et al. Simulative calculation of electronic structure of F-doped SnO2[J]. Acta Physica Sinica,2007,56(12): 7195-7200.

[18] 段滿益,徐明,周海平,等. 碳摻雜ZnO的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)[J]. 物理學(xué)報(bào),2008,57(10):6520-6525.

DUAN M Y,XU M,ZHOU H P,et al. Electronic structure and optical properties of ZnO doped with carbon [J]. Acta Physica Sinica 2008,57(10):6520-6525. [19]ADACHI S. Band gaps and refractive indices of AlGaAsSb,GaInAsSb,and InPAsSb:key properties for a variety of the 2-4 μm optoelectronic device applications [J]. Journal of Applied Physics,1987,61(10):4869-4876.

【中文責(zé)編：譚春林 英文審校：李海航】

First-Principles Investigations of SnO2with In and Ga Doped

JIANG Ruqing, OUYANG Jian, YANG Hui, ZHENG Shuwen, ZHAO Lingzhi, SU Shichen*

(Guangdong Provincial Key Laboratory of Nanophotonic Functional Materials and Devices,Guangdong Engineering Technology Research Center of Low Carbon and Advanced Energy Materials,Institute of Opto-Electronic Materials and Technology,South China Normal University,Guangzhou 510631,China)

Based on the ultra-soft pseudopotential approach of the plane-wave density functional theory, the supercell of pure SnO2, SnO2∶In, SnO2∶Ga and SnO2∶(In,Ga) model was established, its geometry structure was optimized, and the band structures, density of states, charge density and optical properties were obtained. The results show that the lattice constant of SnO2∶(In,Ga) is more close to the pure SnO2, comparing with the SnO2∶In and SnO2∶Ga, which can effectively reduce the lattice distortion of doped SnO2. The band gap value increases and the band structure moves toward the high energy direction for the doped SnO2, presenting p-type features. For the co-doped SnO2∶(In,Ga), the electron clouds of the In (Ga) and O atoms show the characteristics of covalent bond. For the SnO2∶(In,Ga), when the photon energy about 0～2.45 eV and greater than 6.27 eV, the crystal performance shows pretty dielectric character, which has a good application prospect in tiny microelectronic sensor mechanical system device and high density information storage. SnO2∶(In,Ga) will be widely used in the photoelectric device for its strongly absorption capacity of light energy, the absorption coefficient reached to 105cm-1.

SnO2∶(In,Ga); co-doped; first principles; electronic structure; optical properties

2015-12-31 《華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》網(wǎng)址：http://journal.scnu.edu.cn/n

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11204090，61574063)；廣東省高等學(xué)?？萍紕?chuàng)新項(xiàng)目(2013KJCX0050)；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013B040402009，2014B040404067，2014A040401005，2015A040404043，2015A090905003，2016A040403109，2016A040403106，2016A050502054，2016A050503019)；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(201508030033)；廣州市越秀區(qū)產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(2013-CY-007)；深圳市龍華新區(qū)科技創(chuàng)新資金項(xiàng)目(20150529A0900008)

O482.7

A

1000-5463(2017)03-0001-06

*通訊作者:宿世臣，副研究員，Email：shichensu@126.com.