【器件论文】通过第一性原理计算研究掺杂铜、银和金元素对 β-Ga₂O₃ 电子和光学特性的影响

        由中北大学的研究团队在学术期刊 ACS Applied Materials & Interfaces 发布了一篇名为 Effects of Cu, Ag, and Au Elements Doping on the Electronic and Optical Properties of β-Ga₂O₃ via First-Principles Calculations（通过第一性原理计算研究掺杂铜、银和金元素对 β-Ga₂O₃ 电子和光学特性的影响）的文章。

摘要

        β-Ga₂O₃ 作为一种超宽带隙（E_g > 4.8 eV）半导体材料，在紫外（UV）透明半导体领域展现出广阔的应用前景。其从可见光到深紫外区域的高透明性，使其在深紫外发光二极管（LED）、紫外激光器及电子器件等领域具有重要应用价值。研究采用广义梯度近似+U（GGA+U）方法的第一性原理计算，研究了铜（Cu）、银（Ag）和金（Au）等过渡金属掺杂对 β-Ga₂O₃ 电子结构和光学性质的影响。研究结果表明，在氧（O）富集条件下，掺杂体系的形成能相较于镓（Ga）富集条件更低。其中，Cu 掺杂的 β-Ga₂O₃ 表现出最低的形成能，表明其稳定性最高。此外，未掺杂 β-Ga₂O₃ 的本征带隙计算值为 4.853 eV，而掺杂 Cu、Ag 和 Au 后，β-Ga₂O₃ 的带隙显著降低，分别为 1.228 eV、0.982 eV 和 1.648 eV。这一带隙缩小现象归因于过渡金属引入的杂质能级，改变了费米能级附近 Ga 和 O 原子的电子分布。值得注意的是，β-Ga₂O₃ 本身具有优异的紫外光吸收性能，而 Cu、Ag 和 Au 等过渡金属的掺杂有效拓展了 β-Ga₂O₃ 的光吸收范围，使其从紫外区域延伸至可见光区域。这种转变不仅增强了材料的光捕获能力，还提升了本征 β-Ga₂O₃ 的电子跃迁能力，为开发新型 β-Ga₂O₃ 基光电器件提供了重要的理论基础。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.5c00938