鄭樹(shù)文，張　濤，張　力，陳振世

(華南師范大學(xué) 光電子材料與技術(shù)研究所，廣東省光電功能材料與器件工程技術(shù)研究中心， 廣州 510631)

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纖鋅礦Be1-xMgxO合金的電子結(jié)構(gòu)和相特性研究

鄭樹(shù)文，張濤，張力，陳振世

(華南師范大學(xué) 光電子材料與技術(shù)研究所，廣東省光電功能材料與器件工程技術(shù)研究中心， 廣州 510631)

摘要：采用第一性原理的平面波超軟贗勢(shì)方法,對(duì)纖鋅礦Be1-xMgxO合金的電子結(jié)構(gòu)和相特性進(jìn)行研究。結(jié)果顯示，纖鋅礦Be1-xMgxO的能隙由價(jià)帶頂O2p態(tài)和導(dǎo)帶底Mg3s態(tài)共同決定。隨著Mg組分的增大,Be1-xMgxO合金的能隙逐漸變小,合金離子性在增強(qiáng)。Be—O和Mg—O的平均鍵長(zhǎng)差距大致使Be1-xMgxO合金內(nèi)部產(chǎn)生明顯的晶格振動(dòng)效應(yīng),而無(wú)序相Be1-xMgxO合金的形成能比有序相要低，容易使纖鋅礦Be1-xMgxO合金內(nèi)部產(chǎn)生無(wú)序結(jié)構(gòu)，因此制備纖鋅礦Be1-xMgxO合金時(shí)要適當(dāng)提高實(shí)驗(yàn)溫度。

關(guān)鍵詞：第一性原理；電子結(jié)構(gòu)；相特性；Be1-xMgxO

0引言

最近幾年, 短波長(zhǎng)光電器件和相關(guān)材料受到人們的廣泛關(guān)注。 由于Ⅱ-Ⅵ族寬隙帶材料(ZnO、MgO和BeO)在短波長(zhǎng)方面具有優(yōu)秀的物理和化學(xué)特性, 可望在紫外光電器件、太陽(yáng)能電池、探測(cè)器、壓電元件等領(lǐng)域發(fā)揮潛在應(yīng)用價(jià)值而越來(lái)越受到研究者的重視[1]。 目前, ZnMgO和ZnBeO合金材料已經(jīng)被業(yè)界進(jìn)行了深入的研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)ZnO中摻入Mg時(shí)能形成 MgxZn1-xO合金，但是常溫下ZnO和MgO的相結(jié)構(gòu)不同, 所以往ZnO摻入Mg時(shí)容易產(chǎn)生相問(wèn)題[2]。 Ohtomo等[3]指出，當(dāng)Mg組分高于0.36時(shí)，MgxZn1-xO合金就出現(xiàn)相分離, 由纖鋅礦結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成巖鹽礦結(jié)構(gòu),這樣MgxZn1-xO合金的能隙調(diào)節(jié)范圍受到制約。為此，Ryu等[4-5]提出用BexZn1-xO合金代替MgxZn1-xO合金的思想，通過(guò)HBD方法在c-Al2O3基板上制備出全Be組分的BexZn1-xO合金，對(duì)應(yīng)的能隙范圍從3.37～10.6 eV，拓寬了ZnO器件的能隙范圍。

對(duì)于Be1-xMgxO合金的研究,目前文獻(xiàn)報(bào)道的不多, Shi等[6]研究了閃鋅礦Be1-xMgxO合金的能隙和彎曲系數(shù)隨Mg摻雜組分的變化關(guān)系，文獻(xiàn)[7]分析了Mg摻雜對(duì)纖鋅礦和巖鹽礦Be1-xMgxO合金的結(jié)構(gòu)參數(shù)和能帶特性的影響，指出纖鋅礦和巖鹽礦結(jié)構(gòu)的Be1-xMgxO合金的能隙都為直接能隙，纖鋅礦Be1-xMgxO合金能隙值在6.862～10.6 eV之間，而巖鹽礦Be1-xMgxO合金的能隙值在7.8～11.24 eV之間，同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)Mg組分高于0.89時(shí)Be1-xMgxO合金的纖鋅礦相向巖鹽礦相轉(zhuǎn)變，但文中沒(méi)有對(duì)Be1-xMgxO合金的能帶來(lái)源和相結(jié)構(gòu)問(wèn)題(如材料的有序和無(wú)序相)作分析。為了更深入理解Be1-xMgxO合金的物理特性，就需要對(duì)Be1-xMgxO合金的電子結(jié)構(gòu)和相特性作更多研究。

第一性原理的研究方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用到材料物性的分析工作中[6-11]。例如，靳錫聯(lián)等[10]采用平面波贗勢(shì)理論方法研究了Mg摻雜對(duì)纖鋅礦ZnO合金的電子結(jié)構(gòu)影響，史力斌等[11]利用密度泛函理論對(duì)纖鋅礦BexZn1-xO合金的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性進(jìn)行了理論分析，它們的理論研究結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相一致。為此，本文采用第一性原理的平面波超贗勢(shì)方法，對(duì)纖鋅礦Be1-xMgxO合金的電子結(jié)構(gòu)和相特性作深入研究，為下一步開(kāi)展纖鋅礦Be1-xMgxO合金的實(shí)驗(yàn)研究和相關(guān)工作提供指導(dǎo)。

1模型構(gòu)建與計(jì)算方法

本文計(jì)算的纖鋅礦Be1-xMgxO合金結(jié)構(gòu)，是通過(guò)在纖鋅礦BeO(2×2×1)超原胞中摻入不同Mg組分獲得。 這樣超原胞體系共含有16個(gè)原子，其中O原子個(gè)數(shù)為8個(gè)， Be和Mg原子個(gè)數(shù)共為8個(gè)。 當(dāng)纖鋅礦BeO超原胞中的2個(gè)Be原子被Mg原子取代時(shí)，就形成了纖鋅礦Be0.75Mg0.25O三元合金。通過(guò)改變纖鋅礦BeO超原胞中Mg原子取代Be原子的個(gè)數(shù)，得到Mg摻雜組分分別為0，0.25，0.5，0.75和1的纖鋅礦Be1-xMgxO合金。注意的是，文中構(gòu)建的計(jì)算模型是根據(jù)超原胞總能量最低值來(lái)決定纖鋅礦Be1-xMgxO合金的穩(wěn)定相，模型構(gòu)建的初始晶格參數(shù)參考實(shí)驗(yàn)值[12-13]。

本文中計(jì)算采用的軟件是基于密度泛函理論(DFT)[14]應(yīng)用平面波贗勢(shì)方法的CASTEP軟件包[15]。 計(jì)算的電子間交換相關(guān)能用廣義梯度近似(GGA)的PW91[16]泛函來(lái)描述，并用超軟贗勢(shì)[17]來(lái)描述離子實(shí)與價(jià)電子之間的相互作用勢(shì)，選取Be、Mg和O原子的電子組態(tài)分別為Be2s2、Mg2p63s2和O2s22p4。為了得到高精度的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算中的平面波截?cái)嗄蹺cut設(shè)為650 eV，Monkhorst-Pack[18]型的K網(wǎng)格點(diǎn)設(shè)為4×4×5。計(jì)算前先在不固定任何參數(shù)下進(jìn)行幾何優(yōu)化，能量、原子間相互作用力、晶體內(nèi)應(yīng)力和原子最大位移的收斂精度分別設(shè)為5.0×10-6eV/atom、0.1 eV/nm、0.02 GPa和5.0×10-5nm。幾何優(yōu)化完成的標(biāo)志是上述4個(gè)參數(shù)均達(dá)到和優(yōu)于收斂精度。經(jīng)優(yōu)化計(jì)算得到的纖鋅礦BeO和MgO結(jié)構(gòu)參數(shù)和能隙值見(jiàn)表1所示。

表1纖鋅礦BeO和MgO的晶格常數(shù)a、c和能隙Eg計(jì)算值與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)值(或理論值)對(duì)比

Table 1 Calculated structural parameters and energy bandgap of wurtzite(w)-BeO and w-MgO, comparison to experimental and other theoretical results

a/nmc/nmuEg/eV文獻(xiàn)BeO0.27500.27180.27410.27140.26930.27750.44670.44080.44540.44130.43700.43850.3760.3770.3857.0810.67.2937.4447.00本文實(shí)驗(yàn)[12-13]理論[2]理論[19]理論[20]理論[21]MgO0.33440.33220.33060.51610.51360.51020.3920.39160.3873.3333.33.452本文理論[22]理論[23]

由表1數(shù)值知，纖鋅礦BeO晶格常數(shù)比文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)值[12-13]略大，但誤差<1.2%，并與前人的理論值[2,19-21]接近。 優(yōu)化后的纖鋅礦MgO晶格常數(shù)也跟相關(guān)文獻(xiàn)[22-23]的報(bào)道結(jié)果相符。 對(duì)于優(yōu)化后的纖鋅礦BeO能隙值，與實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)[12-13]存在偏差，這是由于GGA近似下的DFT理論在處理材料帶隙問(wèn)題時(shí)沒(méi)有考慮到研究體系的激發(fā)態(tài)情況，造成激發(fā)態(tài)電子間的關(guān)聯(lián)效應(yīng)被低估，從而引起理論值比實(shí)驗(yàn)值偏小的共性問(wèn)題[24]，但本文的纖鋅礦BeO和MgO能隙值與其它文獻(xiàn)理論值[20,22-23]相一致，所以說(shuō)本文采用的計(jì)算方法和計(jì)算參數(shù)是可信的。

2結(jié)果與討論

2.1纖鋅礦Be1-xMgxO合金的總態(tài)密度和分波態(tài)密度

圖1為纖鋅礦Be1-xMgxO(x=0，0.25，0.5，0.75和1)合金的總態(tài)密度圖(TDOS)。

圖1的費(fèi)米能級(jí)EF定義為能量零點(diǎn)。由圖1可知，BeO的電子態(tài)密度主要分布在3個(gè)區(qū)域，即上價(jià)帶(-6.4～0 eV)、下價(jià)帶(-18.9～-15.3 eV)和導(dǎo)帶(7.08～14.6 eV)。當(dāng)Mg摻入纖鋅礦BeO材料形成Be1-xMgxO合金時(shí)，Be1-xMgxO的電子態(tài)密度分布發(fā)生明顯變化，在-38 eV附近產(chǎn)生一個(gè)電子占據(jù)態(tài)高峰，同時(shí)上價(jià)帶、下價(jià)帶和導(dǎo)帶區(qū)域的電子態(tài)密度分布都發(fā)生移動(dòng)，比如上價(jià)帶朝價(jià)帶頂方向壓縮,其寬度由BeO的6.92 eV變成MgO的3.886 eV，與之對(duì)應(yīng)的電子占據(jù)數(shù)分別為48.16 e和48.23 e。下價(jià)帶的態(tài)密度分布位置也隨Mg組分的增大朝價(jià)帶頂方向移動(dòng)，局域性進(jìn)一步增強(qiáng)。對(duì)于導(dǎo)帶受Mg摻雜組分增大的影響，主要體現(xiàn)在導(dǎo)帶底不斷朝費(fèi)米能級(jí)方向移動(dòng)，造成Be1-xMgxO合金的能隙逐漸變窄，同時(shí)導(dǎo)帶的電子態(tài)分布更彌漫。

圖1　纖鋅礦Be1-xMgxO合金的總態(tài)密度

Fig 1 Total DOS of w-Be1-xMgxO, the Fermi level (EF) indicated by a vertical dashed line is set to be zero

為了清晰Be1-xMgxO合金總電子態(tài)密度對(duì)應(yīng)的電子軌道分布情況，圖2給出了纖鋅礦Be1-xMgxO(x=0，0.5和1)合金的分波態(tài)密度圖(由于-38 eV附近的電子態(tài)密度對(duì)材料性質(zhì)影響小，故不繪于圖2中)。由圖2(a)知，纖鋅礦BeO上價(jià)帶的態(tài)密度主要由O2p態(tài)軌道占據(jù)，還包括少量的Be2s2p態(tài)。導(dǎo)帶主要由Be2p態(tài)和少量Be2s和O2s態(tài)占據(jù)，而下價(jià)帶主要由O2s態(tài)占據(jù)。由于下價(jià)帶距離上價(jià)帶頂較遠(yuǎn)，所以對(duì)BeO能隙的影響不大。 對(duì)于圖2(b)的Be0.5Mg0.5O合金，上價(jià)帶主要由O2p態(tài)軌道占據(jù)，但還包括少量的Be2s2p態(tài)和Mg3s態(tài)，由于O2p態(tài)占據(jù)了價(jià)帶頂位置，所以其決定了價(jià)帶頂?shù)男再|(zhì)。導(dǎo)帶主要由Be2p和Mg2p態(tài)占據(jù)，還包括少量的Be2s態(tài)和Mg3s態(tài)，但導(dǎo)帶底位置由Mg3s態(tài)占據(jù)，所以Be0.5Mg0.5O合金的能隙性質(zhì)由價(jià)帶頂?shù)腛2p態(tài)和導(dǎo)帶底的Mg3s態(tài)共同決定。對(duì)于Be0.5Mg0.5O合金的下價(jià)帶態(tài)密度分布主要由O2s態(tài)和Be2s2p態(tài)占據(jù)，并表現(xiàn)出較強(qiáng)局域性。對(duì)于圖2(c)的纖鋅礦MgO態(tài)密度，其上價(jià)帶主要由O2p態(tài)占據(jù)并決定了價(jià)帶頂位置，而導(dǎo)帶主要由Mg2p3s態(tài)占據(jù)，雖然Mg3s態(tài)占據(jù)數(shù)僅為3.09 e，不及Mg2p態(tài)占據(jù)數(shù)的1/5，但占據(jù)導(dǎo)帶底位置的為Mg3s態(tài)，這里纖鋅礦MgO的分波態(tài)密度分布結(jié)果與靳錫聯(lián)[10]和李巧芬等[25]的理論計(jì)算結(jié)果相一致。

圖2　纖鋅礦BeO、Be0.5Mg0.5O和MgO的分波態(tài)密度和總態(tài)密度

Fig 2 Partial DOS and total DOS of w-BeO, w-Be0.5Mg0.5O and w-MgO, the Fermi level (EF) indicated by a vertical dashed line is set to be zero

2.2纖鋅礦Be1-xMgxO合金的Milliken電荷分布

為了進(jìn)一步理解Mg摻入對(duì)Be1-xMgxO合金中的各原子軌道電子分布和成鍵行為的影響，計(jì)算了纖鋅礦BeO、Be0.5Mg0.5O和MgO材料中Be、Mg和O的Milliken電荷轉(zhuǎn)移情況，見(jiàn)表2所示。

表2纖鋅礦Be1-xMgxO(x=0,0.5,1)合金的Milliken電荷分布

Table 2 Calculated milliken charge population of w-Be1-xMgxO(x=0, 0.5, 1) alloys

原子s電子p電子總電荷凈電荷BeOBe0.290.931.230.77O1.794.986.77-0.77Be0.5Mg0.5OBe0.461.161.620.38Mg0.405.896.281.72O*1.895.157.03-1.03O**1.885.197.07-1.07MgOMg0.466.256.711.29O1.965.337.29-1.29

注：O*代表該O原子周?chē)腶方向?yàn)?個(gè)Be和1個(gè)Mg原子,在c方向上為1個(gè)Mg原子；O**代表該O原子周?chē)腶方向?yàn)?個(gè)Be 和2個(gè)Mg原子,在c方向上為1個(gè)Be原子。

對(duì)于纖鋅礦BeO，雖然計(jì)算所選取的Be電子組態(tài)為2s2，但是當(dāng)Be與O原子在成鍵作用中，Be的s態(tài)和p態(tài)發(fā)生雜化，s態(tài)中有0.93個(gè)電子轉(zhuǎn)移到p軌道上，還有0.77個(gè)電子轉(zhuǎn)移到O的p態(tài)軌道上。由于O從Be中獲得的凈電荷數(shù)為0.77，小于其價(jià)電荷數(shù)2，所以Be與O之間的成鍵以共價(jià)鍵為主，還存在少量離子特性，這與Joshi等[26]通過(guò)康普頓光譜分析BeO成鍵得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

對(duì)比BeO的電荷分布，Be0.5Mg0.5O合金的Be和O的s、p態(tài)電荷數(shù)都發(fā)生明顯變化，這是因?yàn)镸g比Be能提供更多的軌道電子，致使Mg—O之間的凈電荷轉(zhuǎn)移數(shù)達(dá)到1.72，此時(shí)Be轉(zhuǎn)移給O的凈電荷數(shù)僅為0.38，比BeO時(shí)減少一半，但O原子獲得的凈電荷總數(shù)超過(guò)1，比BeO材料中O得到的電荷數(shù)多，更接近O的價(jià)電荷數(shù)，這表明Mg摻入BeO材料形成Be0.5Mg0.5O合金，合金中的成鍵整體特性由共價(jià)性逐步轉(zhuǎn)向離子性，與之對(duì)應(yīng)的是Be0.5Mg0.5O合金成鍵結(jié)合能和晶胞總能量逐步降低(見(jiàn)圖3所示)，這與圖1分析得知當(dāng)Mg摻雜組分增大，Be1-xMgxO合金能隙逐漸變窄的趨勢(shì)相一致。 說(shuō)明的是，表2中Be0.5Mg0.5O合金的每個(gè)O鄰居都有2個(gè)Be和2個(gè)Mg，但纖鋅礦結(jié)構(gòu)的a方向鍵長(zhǎng)小于c方向鍵長(zhǎng)，造成O在鍵長(zhǎng)差異下從Be和Mg獲得的電荷數(shù)略有不同，但差別不大。對(duì)于纖鋅礦MgO，Mg轉(zhuǎn)移給O的電荷數(shù)達(dá)到1.29，進(jìn)一步靠近O的價(jià)電荷數(shù)，表明Mg與O之間的成鍵偏向離子性，此時(shí)纖鋅礦MgO的結(jié)合能和晶胞總能量進(jìn)一步降低，能隙進(jìn)一步變窄。

圖3纖鋅礦Be1-xMgxO(x=0，0.5，1)超原胞總能量和結(jié)合能

Fig 3 The total energy of super cells and binding energy (per pair) for w-Be1-xMgxO(x=0,0.5, 1) alloys

2.3纖鋅礦Be1-xMgxO合金的相分離特性

2.3.1Be1-xMgxO合金的有序相

合金材料的有序和無(wú)序性是合金材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)相的反映，研究合金的相分離問(wèn)題就需要分析合金的有序無(wú)序相。對(duì)Mg摻雜BeO形成的Be1-xMgxO合金而言，Be1-xMgxO合金的有序相體現(xiàn)Mg摻雜取代Be位后所形成的合金，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的Be和Mg離子排序是按一定次序和方向進(jìn)行分布(一般指短程有序分布)，無(wú)序相是相對(duì)有序相而言。為了分析纖鋅礦Be1-xMgxO合金的有序相，計(jì)算了有序結(jié)構(gòu)的纖鋅礦Be1-xMgxO(x=0，0.25，0.5，0.75，1)合金形成能。其形成能計(jì)算采用以下公式[27]

(1)

圖4　有序相和無(wú)序相w-Be1-xMgxO合金形成能

Fig4Theformationenergyofw-Be1-xMgxOalloysfortheorderedanddisorderedphase

根據(jù)正規(guī)溶液理論[28]知，合金材料的形成能與組分關(guān)系可以表示為

(2)

式中，Ω為合金材料的相互作用能，跟不同材料體系相關(guān)，對(duì)于晶格振動(dòng)效應(yīng)不明顯的合金材料，如GaAlAs材料,Ω為一個(gè)常數(shù)，而對(duì)于晶格振動(dòng)效應(yīng)明顯的合金材料，Ω為一個(gè)與組分x相關(guān)的函數(shù)，一般表示為

(3)

式中，A和B為兩個(gè)參量。采用式(2)和(3)對(duì)圖4形成能的計(jì)算值進(jìn)行擬合，得到的擬合曲線(虛線)列于圖4中，擬合得到的參量A和B值分別為0.765和-0.286 eV，這里B不為零，意味著纖鋅礦Be1-xMgxO合金內(nèi)部存在明顯的晶格振動(dòng)效應(yīng)。由圖4還得知，擬合曲線的最大形成能所對(duì)應(yīng)Mg組分x值為0.44，與Mg組分的中心值0.5有一定偏離(晶格振動(dòng)效應(yīng)越明顯，偏離就越大)。圖5給出了不同Mg組分下Be1-xMgxO合金的Be—O和Mg—O平均鍵長(zhǎng)值，由該圖可知Be—O的平均鍵長(zhǎng)在0.17 nm左右，而Mg—O的平均鍵長(zhǎng)>0.195 nm，顯然它們之間的鍵長(zhǎng)值差距較大。文獻(xiàn)[29]指出，纖鋅礦合金材料的鍵長(zhǎng)不同容易造成合金內(nèi)部的晶格振動(dòng)效應(yīng)產(chǎn)生，因此纖鋅礦Be1-xMgxO內(nèi)部產(chǎn)生較強(qiáng)的晶格振動(dòng)效應(yīng)。

2.3.2Be1-xMgxO合金的無(wú)序相

對(duì)于纖鋅礦Be1-xMgxO合金的無(wú)序相計(jì)算，采用Connolly和Williams等[30]的計(jì)算方法。 無(wú)序結(jié)構(gòu)合金的形成能可采用以下的計(jì)算公式

(4)

其中

式中，Ef(x)為式(1)的Be1-xMgxO合金形成能。Pn(x)為統(tǒng)計(jì)上的權(quán)重因子，代表著B(niǎo)e1-xMgxO合金中第n個(gè)短程有序結(jié)構(gòu)的概率。根據(jù)式(4)計(jì)算得到的無(wú)序結(jié)構(gòu)Be1-xMgxO合金形成能曲線(實(shí)線)也繪于圖4中。由圖4得知，無(wú)序結(jié)構(gòu)的Be1-xMgxO合金形成能低于有序結(jié)構(gòu)的形成能，說(shuō)明Mg的摻入更容易引起B(yǎng)e1-xMgxO合金的無(wú)序相產(chǎn)生，所以要想獲得有序結(jié)構(gòu)的Be1-xMgxO合金，就需要適當(dāng)提高實(shí)驗(yàn)制備溫度以使纖鋅礦Be1-xMgxO合金有更多的摻雜激活能量。

圖5w-Be1-xMgxO合金的Be—O和Mg—O平均鍵長(zhǎng)

Fig 5 Average bond length of Be—O and Mg—O in the w-Be1-xMgxO alloy

3結(jié)論

采用第一性原理的平面波贗勢(shì)方法，研究了纖鋅礦Be1-xMgxO合金的電子結(jié)構(gòu)和相特性。結(jié)果表明，纖鋅礦Be1-xMgxO合金的價(jià)帶頂由O2p態(tài)決定，導(dǎo)帶底由Mg3s態(tài)決定。當(dāng)Mg摻雜組分增大，上價(jià)帶寬度變窄、下價(jià)帶和導(dǎo)帶都朝價(jià)帶頂方向移動(dòng)，能隙逐漸變窄。由Milliken電荷分布知，Be與O之間主要以共價(jià)鍵結(jié)合，而Mg與O之間主要以離子鍵結(jié)合。當(dāng)Mg的摻雜組分增多，Be1-xMgxO合金的離子性在增強(qiáng)，而結(jié)合能和總能量在降低。由于Be—O的平均鍵長(zhǎng)比Mg—O平均鍵長(zhǎng)明顯小，造成纖鋅礦Be1-xMgxO合金內(nèi)部存在較強(qiáng)的晶格振動(dòng)效應(yīng)。無(wú)序結(jié)構(gòu)的Be1-xMgxO合金形成能低于有序結(jié)構(gòu)的形成能，表明Mg的摻入容易使纖鋅礦Be1-xMgxO合金產(chǎn)生無(wú)序結(jié)構(gòu)，因此在進(jìn)行纖鋅礦Be1-xMgxO合金的實(shí)驗(yàn)制備時(shí)，要適當(dāng)增加實(shí)驗(yàn)溫度。

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Study on the electronic structures andphase properties of wurtzite Be1-xMgxO alloy

ZHENG Shuwen，ZHANG Tao，ZHANG Li， CHEN Zhenshi

(Guangdong Engineering Research Center of Optoelectronic Functional Materials and Devices, Institute of Opto-electronic Materials and Technology, South China Normal University, Guangzhou 510631,China)

Abstract:The electronic structures and phase properties of wurtzite(w) Be1-xMgxO alloy are investigated by the first-principles method based on the density functional theory. The calculated results show that the bandgap of w-Be1-xMgxO is determined by O2p and Mg3s states. The bandgap of Be1-xMgxO alloy becomes smaller and its ionic character is enhanced with the Mg content x of Be1-xMgxO is increased. There is a strong lattice vibration effect in the w-Be1-xMgxO structure, which chiefly originates from the large difference in the average bond length between Be—O and Mg—O. w-Be1-xMgxO alloy is likely to form disordered structure because the formation energy of its disordered phase is lower than its ordered phase, so it is necessary to prepared the w-Be1-xMgxO alloy with higher growth temperature.

Key words:first-principles; electronic structure; phase properties; Be1-xMgxO

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.03.027

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：O469；O471

作者簡(jiǎn)介：鄭樹(shù)文(1977-)，男，廣東湛江人，副研究員，博士，主要從事寬能隙材料性能研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61176043)；廣東省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015B090903078)；華南師范大學(xué)青年教師培育基金資助項(xiàng)目(2012KJ018)

文章編號(hào)：1001-9731(2016)03-03146-05

收到初稿日期：2015-04-15 收到修改稿日期：2015-08-27 通訊作者：鄭樹(shù)文，E-mail:LED@scnu.edu.cn