第一性原理的广义梯度近似+U方法的纤锌矿Zn1-xMgxO极化特性与Zn0.75Mg0.25O/ZnO界面能带偏差研究

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吴孔平, 齐剑, 彭波, 汤琨, 叶建东, 朱顺明, 顾书林. 2015: 第一性原理的广义梯度近似+U方法的纤锌矿Zn1-xMgxO极化特性与Zn0.75Mg0.25O/ZnO界面能带偏差研究, 物理学报, 64(18): 469-476. doi: 10.7498/aps.64.187304
引用本文: 吴孔平, 齐剑, 彭波, 汤琨, 叶建东, 朱顺明, 顾书林. 2015: 第一性原理的广义梯度近似+U方法的纤锌矿Zn1-xMgxO极化特性与Zn0.75Mg0.25O/ZnO界面能带偏差研究, 物理学报, 64(18): 469-476. doi: 10.7498/aps.64.187304
Wu Kong-Ping, Qi Jian, Peng Bo, Tang Kun, Ye Jian-Dong, Zhu Shun-Ming, Gu Shu-Lin. 2015: Polarization properties of wurtzite structure Zn1-xMgxO and band offset at Zn0.75Mg0.25O/ZnO interfaces:A GGA+U investigation, Acta Physica Sinica, 64(18): 469-476. doi: 10.7498/aps.64.187304
Citation: Wu Kong-Ping, Qi Jian, Peng Bo, Tang Kun, Ye Jian-Dong, Zhu Shun-Ming, Gu Shu-Lin. 2015: Polarization properties of wurtzite structure Zn1-xMgxO and band offset at Zn0.75Mg0.25O/ZnO interfaces:A GGA+U investigation, Acta Physica Sinica, 64(18): 469-476. doi: 10.7498/aps.64.187304

第一性原理的广义梯度近似+U方法的纤锌矿Zn1-xMgxO极化特性与Zn0.75Mg0.25O/ZnO界面能带偏差研究

Polarization properties of wurtzite structure Zn1-xMgxO and band offset at Zn0.75Mg0.25O/ZnO interfaces:A GGA+U investigation

  • 摘要: 在纤锌矿结构Zn1-xMgxO/ZnO异质结构中发现了高迁移率的二维电子气(2DEG), 2DEG 的产生很可能是由于界面上存在不连续极化, 而且2DEG通常也被认为是由极化电荷产生的结果. 为了探索2DEG的形成机理及其产生的根源, 研究Zn1-xMgxO合金的极化特性与ZnO/Zn1-xMgxO超晶格的能带排列是非常必要的. 基于第一性原理广义梯度近似+U方法研究了Zn1-xMgxO合金的自发极化随Mg组分x的变化关系, 其中极化特性的计算采用Berry-phase方法. 由于ZnO与Zn1-xMgxO 面内晶格参数大小相当, ZnO 与Zn1-xMgxO 的界面匹配度优良, 所以ZnO/Zn1-xMgxO 超晶格模型较容易建立. 计算了Mg0.25 Zn0.75 O/ZnO超晶格静电势的面内平均及其沿着Z (0001)方向上的宏观平均. (5+3)Mg0.25Zn0.75O/ZnO超晶格拥有较大的尺寸, 确保远离界面的Mg0.25Zn0.75O与ZnO区域与块体计算情况一致. 除此之外, 基于宏观平均为能量参考, 计算得到Mg0.25Zn0.75O/ZnO超晶格界面处价带偏差为0.26 eV, 并且导带偏差与价带偏差的比值处于合理区间, 这与近来实验上报道的结果相符. 除了ZnO在[0001]方向上产生自发极化外,由于在ZnO中引入Mg杂质会产生应变应力,导致MgxZn1-xO层产生额外的极化值. 这样必然会在Mg0.25Zn0.75O/Zn界面处产生非连续极化现象,促使单极性电荷在界面处积累,从而在Mg0.25Zn0.75O/Zn超晶格中产生内在电场. 此外,计算了Mg0.25Zn0.75O/ZnO超晶格的能带排列,由于价带偏差?EV =0.26 eV与导带偏差?EC =0.33 eV,表明能带遵循I型排列. Mg0.25Zn0.75O/ZnO的这种能带排列方式足以让电子与空穴在势阱中产生禁闭作用. 2DEG在电子学与光电子学领域都有重要应用, 本文的研究结果将对Mg0.25Zn0.75O/ZnO界面2DEG的设计与优化中起到重要作用,并且可以作为研究其他Mg组分的MgxZn1-xO/ZnO超晶格界面电子气特性的参考依据.
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出版历程
  • 刊出日期:  2015-09-30

第一性原理的广义梯度近似+U方法的纤锌矿Zn1-xMgxO极化特性与Zn0.75Mg0.25O/ZnO界面能带偏差研究

  • 安徽理工大学电气与信息工程学院,淮南,232001
  • 南京大学电子科学与工程学院, 微结构国家实验室, 南京 210093

摘要: 在纤锌矿结构Zn1-xMgxO/ZnO异质结构中发现了高迁移率的二维电子气(2DEG), 2DEG 的产生很可能是由于界面上存在不连续极化, 而且2DEG通常也被认为是由极化电荷产生的结果. 为了探索2DEG的形成机理及其产生的根源, 研究Zn1-xMgxO合金的极化特性与ZnO/Zn1-xMgxO超晶格的能带排列是非常必要的. 基于第一性原理广义梯度近似+U方法研究了Zn1-xMgxO合金的自发极化随Mg组分x的变化关系, 其中极化特性的计算采用Berry-phase方法. 由于ZnO与Zn1-xMgxO 面内晶格参数大小相当, ZnO 与Zn1-xMgxO 的界面匹配度优良, 所以ZnO/Zn1-xMgxO 超晶格模型较容易建立. 计算了Mg0.25 Zn0.75 O/ZnO超晶格静电势的面内平均及其沿着Z (0001)方向上的宏观平均. (5+3)Mg0.25Zn0.75O/ZnO超晶格拥有较大的尺寸, 确保远离界面的Mg0.25Zn0.75O与ZnO区域与块体计算情况一致. 除此之外, 基于宏观平均为能量参考, 计算得到Mg0.25Zn0.75O/ZnO超晶格界面处价带偏差为0.26 eV, 并且导带偏差与价带偏差的比值处于合理区间, 这与近来实验上报道的结果相符. 除了ZnO在[0001]方向上产生自发极化外,由于在ZnO中引入Mg杂质会产生应变应力,导致MgxZn1-xO层产生额外的极化值. 这样必然会在Mg0.25Zn0.75O/Zn界面处产生非连续极化现象,促使单极性电荷在界面处积累,从而在Mg0.25Zn0.75O/Zn超晶格中产生内在电场. 此外,计算了Mg0.25Zn0.75O/ZnO超晶格的能带排列,由于价带偏差?EV =0.26 eV与导带偏差?EC =0.33 eV,表明能带遵循I型排列. Mg0.25Zn0.75O/ZnO的这种能带排列方式足以让电子与空穴在势阱中产生禁闭作用. 2DEG在电子学与光电子学领域都有重要应用, 本文的研究结果将对Mg0.25Zn0.75O/ZnO界面2DEG的设计与优化中起到重要作用,并且可以作为研究其他Mg组分的MgxZn1-xO/ZnO超晶格界面电子气特性的参考依据.

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