于 淼

(牡丹江师范学院物理与电子工程学院，牡丹江 157011)

0 引 言

SnO2是一种透明导电氧化物，其空间群为P42/mnm，属于直接带隙半导体材料，实验带隙值为3.6 eV，激子束缚能为130 meV[1-2]。由于其优异的物理化学性质[3-4]，被广泛应用于透光电极、液晶显示、催化剂、发光二极管等诸多领域[5-8]。目前，Van de Walle研究小组[9]通过计算预测Al元素掺杂可实现SnO2受主掺杂;逯瑶等[7]研究了Fe-S共掺SnO2材料的性质，结果表明Fe-S共掺中S的加入可以增加Fe:SnO2体系带隙内电子态，增强材料的导电性；丁超等[10]研究了Sb、S共掺杂SnO2电子结构，研究发现，共掺可以窄化带隙，随着S原子浓度的增加，带隙宽度继续变小，导带逐渐变窄，导电性能变得越来越好。而关于Al-S共掺的SnO2材料的第一性原理研究至今未见报道，因此本文主要应用第一性原理的方法研究Al-S共掺杂的SnO2材料的电子结构，以期为新材料的开发与实际应用奠定一定的理论基础。

1 模拟方法

1.1 计算方法

利用Material Studio 8.0的CASTEP软件完成Al-S共掺杂SnO2电子结构的第一性原理研究。在搭建模型进行优化时，交换关联能采用广义梯度近似(GGA)的PBE泛函，平面波截断势能取400 eV，布里渊区K点设为3×3×4。

1.2 理论模型

图1 超晶胞模型Fig.1 Supercell model

本文的计算模型是SnO2的金红石结构，建立了2×2×2的超晶胞，通过分别替代超晶胞结构中的Sn和O引入Al、S元素，进行以下两种情况的Al原子和S原子的共掺：(1)用一个Al和一个S替位掺杂一个Sn和一个O原子(1位置处的O)，即Al-S掺杂结构；(2)用一个Al和两S替位掺杂一个Sn和两个O原子(1、2位置处的O)，即Al-2S掺杂结构。两种情况下Al的掺杂浓度为6.25%，S的掺杂浓度分别为3.123%和6.25%。……