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第一性原理的广义梯度近似+U方法的纤锌矿Zn(1-x)MgxO极化特性与Zn(0.75)Mg(0.25)O/ZnO界面能带偏差研究
  • ISSN号:1000-3290
  • 期刊名称:《物理学报》
  • 时间:0
  • 分类:TN304.2[电子电信—物理电子学]
  • 作者机构:[1]安徽理工大学电气与信息工程学院,淮南232001, [2]南京大学电子科学与工程学院、微结构国家实验室,南京210093
  • 相关基金:国家自然科学基金(批准号:61274058,61025020,61322403); 安徽省自然科学基金(批准号:1208085QF116); 江苏省自然科学基金(批准号:BK2011437,BK20130013)资助的课题
中文摘要:

在纤锌矿结构Zn(1-x)MgxO/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Zn(1-x)MgxO合金的极化特性与ZnO/Zn(1-x)MgxO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Zn(1-x)MgxO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Zn(1-x)MgxO面内晶格参数大小相当,ZnO与Zn(1-x)MgxO的界面匹配度优良,所以ZnO/Zn(1-x)MgxO超晶格模型较容易建立.计算了Mg(0.25)Zn(0.75)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)Mg(0.25)Zn(0.75)O/ZnO超晶格拥有较大的尺寸,确保远离界面的Mg(0.25)Zn(0.75)O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Mg(0.25)Zn(0.75)O/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MgxZn(1-x)O层产生额外的极化值.这样必然会在Mg(0.25)Zn(0.75)O/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Mg(0.25)Zn(0.75)O/Zn超晶格中产生内在电场.此外,计算了Mg(0.25)Zn(0.75)O/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.Mg(0.25)Zn(0.75)O/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Mg(0.25)Zn(0.75)O/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MgxZn?

英文摘要:

Two-dimensional(2D) electron gas with high-mobility is found in wurtzite ZnO/Zn(Mg)O heterostructure,which probably arises from the polarization discontinuity at the ZnO/Zn(Mg)O interface,and the 2D electron gas in the heterostructure is usually also regarded as resulting from polarization-induced charge.In order to explore both the formation mechanism and the origin of the 2D electron gas in ZnMgO/ZnO heterostructure,it is necessary to study the polarization properties of Zn(1-x)MgxO alloy and energy band alignment of ZnO/Zn(1-x)MgxO super-lattice.In this paper,we study the polarization properties of Zn(1-x)MgxO alloy with different Mg compositions by using first-principles calculations with GGA+U method,and the polarization properties are calculated according to Berryphase method.Owing to the excellent match between the in-plane lattice constants of ZnO and Zn(1-x)MgxO,the lattice constants of the ZnO and Zn(1-x)MgxO interface are similar,ZnO/Zn(1-x)MgxO super-lattice could be constructed easily.The planar-averaged electrostatic potential for the Mg(0.25)Zn(0.75)O/ZnO super-lattice and the macroscopically averaged potential along Z(0001) direction are calculated.The large size of(5+3) Mg(0.25)Zn(0.75)O/ZnO super-lattice ensures the convergence of potential to its bulk value in the region of the ZnO layer and Mg(0.25)Zn(0.75)O layer far from ZnO/Zn(1-x)MgxO interface.Besides,the valence band offset at the Mg(0.25)Zn(0.75)O/ ZnO interface is calculated to be0.26 eV based on the macroscopically averaged potential mentioned above,and the ratio of conduction band offset(△EC)to valence band offset(△EV) is in a reasonable range,and this is in substantial agreement with the values reported in recent experimental results.Because strain induces additional piezoelectric polarization in MgxZn(1-x)O,which is introduced by Mg dopant,the lack of inversion symmetry and the bulk ZnO induce its spontaneous polarization in the[0001

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期刊信息
  • 《物理学报》
  • 北大核心期刊(2011版)
  • 主管单位:中国科学院
  • 主办单位:中国物理学会 中国科学院物理研究所
  • 主编:欧阳钟灿
  • 地址:北京603信箱(中国科学院物理研究所)
  • 邮编:100190
  • 邮箱:apsoffice@iphy.ac.cn
  • 电话:010-82649026
  • 国际标准刊号:ISSN:1000-3290
  • 国内统一刊号:ISSN:11-1958/O4
  • 邮发代号:2-425
  • 获奖情况:
  • 1999年首届国家期刊奖,2000年中科院优秀期刊特等奖,2001年科技期刊最高方阵队双高期刊居中国期刊第12位
  • 国内外数据库收录:
  • 美国化学文摘(网络版),荷兰文摘与引文数据库,美国工程索引,美国科学引文索引(扩展库),英国科学文摘数据库,日本日本科学技术振兴机构数据库,中国中国科技核心期刊,中国北大核心期刊(2004版),中国北大核心期刊(2008版),中国北大核心期刊(2011版),中国北大核心期刊(2014版),中国北大核心期刊(2000版)
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