馬 浩

(中國礦業(yè)大學 材料學院，江蘇徐州 221116)

1 引言

由于Ta2O5具有許多優(yōu)良的光電特性，使得它在眾多領域都有廣泛的應用。首先，Ta2O5是一種重要的薄膜材料。由于其是一種寬禁帶化合物半導體材料，在可見光波長范圍內(nèi)，具有較低的光學吸收和較高的折射率，在波長550 nm處，折射率約為2.1，并且具有很寬的光譜透過范圍(300 nm～10 μm)，因此被廣泛的應用于各種光學器件，如增透膜、反射膜、干涉濾光片等。同時，由于其介電常數(shù)高、漏電流密度低和熱穩(wěn)定性良好，近年來在動態(tài)隨機存儲設備和金屬氧化物半導體等領域的研究備受關(guān)注。

但是，盡管Ta2O5晶體具有很多優(yōu)良的應用性能，對其本身性質(zhì)的研究卻并不充分，本文便著眼于Ta2O5晶體本征態(tài)和存在各種不同缺陷狀態(tài)時的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度研究，分析不同缺陷對其光電性能的影響機理，并作出比較，為后續(xù)的研究做理論依據(jù)。

2 理論模型和計算方法

Ta2O5有幾種常見的空間構(gòu)型，本文采用晶格常數(shù)為a=12.7853，b=4.8537，c=5.5276，α = γ =90，β =104.264的單斜相的 Ta2O5進行計算，其空間群為 C12/c1，設置2x2x1的超晶胞。分別對本征態(tài)、O空位(Vo)、Ta空位(VTa)、O反替位Ta(Ota)和 O間隙(Oi)本征缺陷存在時的Ta2O5晶體的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度進行計算。從本征態(tài)Ta2O5晶體的能帶結(jié)構(gòu)圖(圖1)可知其帶隙為2.486ev，其價帶頂和導帶底不在同一位置，說明該單斜相的Ta2O5晶體是一種間接帶隙半導體。由Ta2O5晶體的分波態(tài)密度圖可見(圖2)，費米能級以下－18.5 ev到－15.5ev之間態(tài)密度主要來自O原子的S軌道電子，同時有少量d軌道電子的貢獻;在－6ev到費米能級之間態(tài)密度主要來自于O原子的p軌道電子和和Ta原子的d軌道電子，此時費米能級處于價帶內(nèi)，費米能級處的態(tài)密度則主要來自于O原子的p層電子。

圖1 本征態(tài)Ta2O5晶體能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度圖

當Ta2O5晶體中存在Vo缺陷時，其態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)如圖3所示，可知其帶隙為1.143ev，與本征態(tài)Ta2O5晶體相比，其帶隙明顯變窄，且總的態(tài)密度圖以及各個原子的分波態(tài)密度圖(圖4)相當于無缺陷Ta2O5晶體態(tài)密度圖向左移動1.5ev，使其費米能級更靠近導帶，從而影響其電學性能。同時Vo的存在導致其p層電子的貢獻消失，使得費米能級下以及費米能級處的態(tài)密度整體略有降低。

存在VTa本征缺陷時Ta2O5晶體的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度如圖5所示，可見其帶隙為2.468ev，與無缺陷晶體相比基本無變化，費米能級靠近價帶，不利于導電性能。同時，由分波態(tài)密度圖(圖6)分析有，在費米能級以下－27ev到－25.5ev區(qū)間內(nèi)的態(tài)密度主要由O原子的S層電子貢獻，少部分由O原子的p層電子貢獻;在－15.5ev到－14ev能量區(qū)間內(nèi)的態(tài)密度主要來自于O原子的S層電子;在－8.5ev到－6ev區(qū)間時其態(tài)密度主要由O原子的p層電子貢獻;在－6ev到費米能級處的態(tài)密度主要來自于Ta原子的d層電子，并與費米能級相交。

圖2 本征態(tài)Ta2O5晶體中Ta原子分波態(tài)密度圖(a)和O原子分波態(tài)密度圖(b)

圖3 存在Vo的Ta2O5晶體態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)圖

圖4 Vo缺陷態(tài)中Ta原子分波態(tài)密度圖(a)和O原子分波態(tài)密度圖(b)

圖5 存在VTa的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度圖

O反替位Ta即Ota這種本征缺陷存在時Ta2O5晶體的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度如圖7所示，其帶隙為0.533ev，與無缺陷的Ta2O5晶體相比明顯減少，表明其導電與光學性能有較大變化;對于其態(tài)密度圖(圖8)，由以上分析可總結(jié)出其在－19 ev到 －16ev區(qū)間內(nèi)態(tài)密度主要由O原子的p層電子貢獻;在－6.5到費米能級處的態(tài)密度主要來源于Ta原子的d層電子。

最后，討論了在Ta2O5晶體中存在O間隙(Oi)時的態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)情況。如圖9所示，存在O間隙缺陷時，費米能級靠近價帶，其帶隙變?yōu)?.868ev，與無缺陷Ta2O5晶體相比有所減少，表明O間隙的存在對晶體本身的電學和光學性能有一定的影響。再對其各原子的分波態(tài)密度分析(圖10)，在費米能級以下－19 ev到 －16 ev能量區(qū)間內(nèi)，態(tài)密度主要由O原子的s層電子貢獻;在－7.5 ev到費米能級處區(qū)間內(nèi)則主要由Ta原子的d層電子和O原子的p層電子共同貢獻。

圖7 存在OTa缺陷的Ta2O5晶體的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度圖

圖8 VTa缺陷態(tài)存在時Ta2O5晶體的分波態(tài)密度圖

圖9 存在Oi缺陷時Ta2O5晶體的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度圖

根據(jù)以上研究，對不同缺陷態(tài)中的帶隙進行對比分析后可得，O反替位Ta(OTa)缺陷存在時Ta2O5晶體的帶隙值降低了78.56%，O空位(Vo)和O間隙(Oi)缺陷存在時帶隙值分別降低了54.02%和24.86%，Ta空位(VTa)缺陷存在時帶隙值只變化了0.72%。同時考慮到各種缺陷的缺陷形成能不同，其各類缺陷存在的幾率大小也不同，因此對各類缺陷在本征晶體中的存在狀態(tài)還需要進一步的研究。

圖10 Oi缺陷態(tài)中Ta原子分波態(tài)密度圖(a)和O原子分波態(tài)密度圖(b)

3 結(jié)論

分別計算了本征態(tài)Ta2O5晶體以及存在O空位(Vo)、Ta空位(VTa)、O反替位Ta(Ota)和O間隙(Oi)本征缺陷時Ta2O5晶體的態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)，O反替位Ta(OTa)缺陷存在時Ta2O5晶體能帶結(jié)構(gòu)的帶隙值影響最大，其降低了78.56%，說明O反替位Ta缺陷存在時對Ta2O5晶體的光電性能影響最大，其次是O空位(Vo)和O間隙(Oi)，分別降低了54.02%和24.86%，而Ta空位(VTa)的存在對帶隙值影響最小，只有0.72%。

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