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

• 作者: 叶建东 吴孔平 彭波 朱顺明 汤琨 顾书林 齐剑
• 来源期刊: 物理学报
• 关键词: 氧化镁锌 自发极化 静电势平均 能带偏差
• 年，卷（期）: 2015,（18）
• 所属期刊栏目: 凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
• 页码范围: 469-476
• 页数: 8页
• 语种: 中文
• DOI: 10.7498/aps.64.187304

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.

作者信息

序号	姓名	单位	发文数	被引次数	H指数	G指数
1	朱顺明	南京大学电子科学与工程学院微结构国家实验室	20	72	5.0	7.0
2	叶建东	南京大学电子科学与工程学院微结构国家实验室	11	57	5.0	7.0
3	吴孔平	安徽理工大学电气与信息工程学院	16	32	4.0	4.0
4	汤琨	南京大学电子科学与工程学院微结构国家实验室	5	8	2.0	2.0
5	齐剑	安徽理工大学电气与信息工程学院	7	12	3.0	3.0
6	彭波	安徽理工大学电气与信息工程学院	3	6	1.0	2.0