Сочинение на тему Электронная структура группы

Мы знаем, что зонная структура любого полупроводника необходима для определения его потенциальной эффективности. Точные знания о зонной структуре полупроводника очень важны для изучения его применений и даже повышения производительности. Вот почему точное знание зонной структуры полупроводника является жизненно важным для культивирования его приложений и даже фильтрации производительности. Кроме того, оптические измерения и расчеты зонной структуры зависят друг от друга для понимания электронных зонных структур в полупроводниках [58]. Поскольку как проводящая, так и валентная зоны вносят значительный вклад в энергетический диапазон, в который попадают оптические возбуждения, невозможно дать детальную интерпретацию оптической отражательной способности без по меньшей мере полуколичественного расчета структуры полосы в первую очередь. Аналогичным образом, надежность этих расчетов, в свою очередь, зависит от правильной интерпретации определенных ключевых характеристик в оптических данных. Очевидно, что процесс определения зонной структуры является методом проб и ошибок, но он часто приводит к последовательной, количественной, детальной картине зонной структуры полупроводников в ограниченном диапазоне энергии вокруг фундаментальной щели. Учитывая, что ZnO ​​является кандидатом в полупроводники для применения в оптоэлектронных устройствах, четкое понимание зонной структуры имеет решающее значение при объяснении оптических и электрических свойств. Наиболее важным фактором, ответственным за то, чтобы материал продемонстрировал лучшие оптоэлектронные свойства, является большая энергия связи экситонов, и этим свойством обладает оксид цинка с энергией связи 60 МэВ, который может присутствовать при комнатной температуре и выше из-за экситонной рекомбинации. На процесс оптического поглощения и испускания влияют связанные экситоны, которые являются внешним переходом, связанным с легирующими примесями или дефектами, тем самым обычно ответственными за создание дискретных электронных состояний в запрещенной зоне. Теоретически, нейтральные или заряженные доноры и акцепторы являются членами, с которыми может быть связан экситон, и он просто зависит от зонной структуры полупроводникового материала.

Для расчета зонной структуры вюрцита ZnO было использовано несколько теоретических подходов различной степени сложности. Такие, как функциональный метод Грина [59], приближение локальной плотности (LDA) [60-61], приближение GW (GWA) [62-63] и First-принципы (FP) [64-65], были использованы для расчета зонная структура вюрцита ZnO. Кроме того, был опубликован ряд экспериментальных данных о зонной структуре электронных состояний в вюрците ZnO, [66-71]. Например, D. Vogel и др. Еще более усовершенствовали метод LDA, включив в него псевдопотенциалы, скорректированные на атомное самовзаимодействие (SIC-PP), в которых 3d-электроны Zn были точно учтены для расчета структуры электронных зон ZnO. Соответствующие результаты показаны на рисунке 2.3.

Горизонтальные пунктирные линии показывают измеренную энергию зазора и ширину d-полосы. SIC-PP намного эффективнее обрабатывает d-полосы, чем стандартный метод LDA. [Перепечатано с разрешения [60], Copyright 1995, Американское физическое общество].

Ширина запрещенной зоны ZnO была определена из стандартных расчетов LDA и составляет всего ~ 3 эВ, как показано на рисунке 2.4 (а). Эта уменьшенная ширина запрещенной зоны была получена, потому что мы видим, что 3d-состояния были обработаны как уровни ядра, чтобы упростить вычисления в стандартном методе LDA. Согласно результатам расчета по методу SIC-PP, как показано на рисунке 2.4 (b), нижние 10 полос (встречающиеся около -9 эВ) соответствуют уровням Zn 3d. Следующие 6 полос от -5 эВ до 0 эВ соответствуют состояниям связи O 2p. Первые два состояния зоны проводимости сильно локализованы на Zn и соответствуют пустым уровням Zn 3s. В отличие от левой панели, d-полосы значительно смещены по энергии, и вместе с этим разрыв значительно увеличен. Кроме того, дисперсия и ширина полосы валентных зон O 2p значительно изменяются. Энергия зазора и положение d-диапазона значительно улучшены по сравнению со стандартными результатами LDA. Ширина запрещенной зоны, определенная из этого расчета, составляет 3,77 эВ, что достаточно хорошо коррелирует с экспериментальным значением 3,4 эВ. Таким образом, мы видим, что энергия запрещенной зоны и положение d-полосы были значительно улучшены по сравнению со стандартными результатами LDA.

Поскольку и зона проводимости, и валентная зона вносят значительный вклад в энергетический диапазон, в который попадают оптические возбуждения, невозможно провести подробный анализ оптической отражательной способности, по крайней мере, без предварительного полуколичественного расчета структуры полосы. Методы отражения / поглощения или испускания УФ-излучения могут быть использованы для измерения уровней электронных сердечников в твердых телах. Применяя эти методы, мы можем измерить разность энергий между состояниями верхней валентной зоны и состояниями нижней зоны проводимости.

<Р> D.W. Лангер и К. Дж. Весели использовали измерение фотоэмиссии, вызванное рентгеновским излучением, для определения энергетических уровней остовных электронов в ZnO в 1970 году [74]. В 1971 году Р. А. Пауэлл и др. Провели ультрафиолетовые измерения фотоэмиссии на гексагональном ZnO, расщепленном в вакцине [75]. Результаты показали, что уровень ядра Zn 3d, расположенный на 7,5 ± 0,2 эВ ниже максимума валентной зоны, который был на ~ 3 эВ ниже, чем прогнозировалось расчетом функциональной полосы Грина Ресслера. Но это назначение отлично согласуется с результатом (7,6 эВ) предыдущих измерений рентгеновской фотоэмиссии. Впоследствии, в 1974 г. Л. Лей и др. Представили полные спектры рентгеновской фотоэмиссии в валентной зоне для 14 полупроводников, включая гексагональный ZnO [76]. Результаты убедительно доказали, что расчеты зонной структуры в сочетании с рентгеновскими фотоэмиссионными спектрами обеспечивают мощный подход к установлению полной структуры валентной зоны полупроводников. До сих пор некоторые группы все еще использовали рентгеновскую фотоэмиссионную спектроскопию для исследования зонной структуры ZnO. К настоящему времени согласованность между теоретическим расчетом и экспериментами для структуры энергетической зоны уже достигнута для большого числа полупроводников, включая, конечно, ZnO, поскольку во многих случаях были доступны превосходные и подробные оптические данные.

Оптические свойства полупроводника

Первое исследование об оптических свойствах ZnO началось много десятилетий назад, и оно было около [77-95]. Новый интерес к ZnO усиливается благодаря его перспективам в области оптоэлектроники благодаря его широкой широкой запрещенной зоне 3,37 эВ при комнатной температуре и большой энергии экситонов в 60 мэВ, а также его эффективной излучательной рекомбинации. Сильная энергия связи экситона, которая намного больше, чем у GaN (25 мэВ), и тепловая энергия при комнатной температуре (25 мэВ) могут обеспечить эффективное излучение экситона при комнатной температуре при низкой энергии возбуждения. В результате ZnO известен как перспективный фотонный материал в области синего ультрафиолета. Наряду с этим известно, что оптические свойства ZnO содержат много информации, такой как оптическое поглощение, пропускание, отражение, фотолюминесценция и так далее.