透明导电氧化物半导体材料的量子化学计算与设计
透明导电氧化物(TCOs)材料由于具有优异的电学和光学性能，被广泛地应用于发光二极管(LED)，太阳能电池，平板显示器(FDPs)和智能视窗。目前，商业化应用最为广泛的氧化铟锡(In2O3∶Sn，ITO)材料由于铟资源的稀缺且价格昂贵，迫使研究者们寻找和开发性能优异的新型廉价TCO材料。二氧化锡(SnO2)作为一种出色的候选替代材料，与In2O3相比不仅成本低廉，同时具备优异的电学及光学性能。最近，基于SnO2的TCO材料在实验及理论研究中受到了广泛的关注，如氧化锡锑(SnO2∶Sb，ATO)和氧化锡氟(SnO2∶F，FTO)已经被发现并实现了大规模的商业化应用，但是其导电性能与ITO相比仍存在差距。因此，仍然需要探索新的基于SnO2的TCO材料，来满足未来的应用。
基于密度泛函理论理的第一性原理计算等研究方法的发展为预测周期性材料的结构和性能提供了一个极有价值的研究手段，而且已经被作为一种重要的分析及预测工具来指导设计开发新的材料。
本文采用第一性原理方法对基于SnO2体系的材料进行计算和设计，重点研究不同材料体系的导电性能，并对新TCO材料的光学性能做出预测，为今后的实验提供理论指导。主要研究内容及创新性的设计策略如下。
(1)采用第一性原理计算方法（GGA-PBE和HSE06），研究了本征态SnO2晶胞结构、能带、态密度、有效质量等电子结构，并验证了计算方法的正确性。
(2)在单掺杂中，选择ⅤA，ⅤB，ⅥB和ⅦA族元素作为掺杂元素，以保证材料为n型导电材料并具有较高的载流子迁移率。通过GGA-PBE计算了单元素掺杂SnO2进行大范围的筛选。设计原则应包括三个重要的特性:(a)高导电性;(b)高透光性(禁带宽度大于3.1 eV);(c)稳定性好且易于实验制备。此外，低成本和无毒性也是必要的。对于计算结果的筛选，材料导电能力可以通过有效质量来间接反映，光学性能可由计算得到的电子结构来描述，而材料的稳定性及实验制备难易程度可通过结合能和形成能来表示。经GGA-PBE计算筛选出的具有高导电性的不仅包括了已知的FTO和ATO，而且预测了Sn02∶P(PTO)，SnO2∶I(IOTO)两种新材料。
(3)基于SnO2单掺杂的结果，以PTO作为研究体系，掺入杂质元素（ⅤB，ⅥB和ⅦA族元素），替代其中的Sn原子或者O原子，即进行双元素共掺杂SnO2的GGA-PBE计算。再结合单掺杂与双掺杂的结果筛选，选出导电性能相对最出色的新TCO材料SnO2∶(P,F)(FPTO)。
(4)最后通过HSE06混合泛函计算，对FPTO材料作进一步的研究。对其电子结构进行计算及分析，并对其有效质量及光学性质作了预测。
透明导电氧化物材料;二氧化锡;电子结构;半导体材料;导电性能;光学性能;量子化学计算
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
陈建峰
2013
中文
TN304.21
95
2013-12-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）