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【国内论文】桂林理工大学---Mg-Al共掺杂β-Ga₂O₃的光电性质：第一性原理计算研究
日期：2025-05-12阅读：75
由桂林理工大学的研究团队在学术期刊 ECS Journal of Solid State Science and Technology 发布了一篇名为Optoelectronic Properties of Mg-Al Co-doped β-Ga2O3: First Principles Calculations（Mg-Al 共掺杂 β-Ga2O3 的光电性质：第一性原理计算研究）的文章。
项目支持
该研究得到广西自然科学基金项目（2021GXNSFA A220091）的资助。作者感谢桂林理工大学研究人员支持，项目编号（2021GXNSFA A220091）。
背 景
作为一种新兴的宽禁带半导体材料，β-Ga2O3 凭借其卓越的光电特性，在深紫外光检测器、电力电子器件和透明导电薄膜领域展现出巨大的应用潜力。具有约 4.9 eV 的宽带隙，拥有出色的紫外光吸收特性和高击穿电场，是紫外光检测和高压电子器件应用的理想候选材料。然而，宽带隙也限制了它在低能区（如可见光谱）的光吸收能力，从而限制了它在更广泛光谱应用中的使用。此外，β-Ga2O3 固有的低导电性也对其在需要高灵敏度光检测的应用中的性能造成了额外的限制。因此，掺杂已成为定制 β-Ga2O3 带隙和光电特性的关键研究重点，目的是扩大其光谱响应范围并增强其导电性，从而提高其功能能力。
主要内容
该研究通过 Mg-Al 共掺杂优化 β-Ga2O3 的光电性能，提升其在宽带光电应用中的潜力。研究通过能带结构、态密度和光学性质的计算揭示了 Mg-Al 共掺杂对材料性能的调控机制。
结果表明，Mg-Al 共掺杂通过引入适量的杂质能级，有效调控了材料的带隙（1.86–5.08 eV），且带隙随掺杂浓度的升高而增大。与单一掺杂相比，共掺杂体系降低了电子复合的可能性，提高了载流子分离效率。光学性能分析显示，低浓度 Mg-Al 共掺杂可提升静态介电常数，并在紫外与可见光波段均表现出强吸收特性，特别是在 1.25 at% 共掺杂体系中尤为显著。相比之下，高浓度共掺杂则在紫外吸收与反射性能方面展现出更明显的优势。此外，在相同掺杂浓度下，Mg(2)-Al(1) 体系的表现略优于 Mg(1)-Al(2) 体系。这些研究结果为 β-Ga2O3 在紫外-可见光光探测器、透明导电薄膜等相关领域的应用提供了重要的理论依据与参考。
总 结
本研究探讨了掺杂镁、掺杂 Al 和掺杂 Mg-Al 对 β-Ga2O3 光电特性的影响，揭示了掺杂镁铝对电子结构和光学特性的显著改变。晶格参数的变化表明，掺杂 Mg、掺杂 Al 和掺杂 Mg-Al 都对 β-Ga2O3 的晶体结构产生了重大影响，其中掺杂 Mg-Al 提高了结构稳定性并减少了晶格畸变。对带状结构和态密度的分析表明，Mg-Al 共掺杂引入了适量的杂质能级，从而实现了带隙调制并拓宽了材料的光谱响应范围。与单一掺杂相比，共掺杂系统在费米能级附近的杂质态较少，从而降低了重组的可能性，有效提高了载流子分离效率。在光学特性方面，低浓度 Mg-Al 共掺杂体系表现出更强的极化响应，并显著提高了静态介电常数，表明其在低频电场下的极化能力显著提高。此外，低浓度共掺杂显著增强了可见光吸收能力，尤其是在 1.25% 共掺杂体系中，而高浓度共掺杂则具有出色的紫外线吸收和反射特性。此外，在相同的掺杂浓度下，Mg(2)-Al(1) 体系的性能略优于 Mg(1)-Al(2) 体系。结果来看 Mg-Al 共掺实现了 β-Ga2O3 的协同优化，显著提高了其导电性和光电响应能力。这些改进使共掺杂的 β-Ga2O3 成为一种在紫外可见光光电探测器、透明导电薄膜和其他光电器件中具有应用前景的材料。
图 1. (a) β-Ga2O3; (b) Ga23Mg(2)O36; (c) Ga23Al(2)O36; (d) Ga22Mg(1)Al(2)O36; (e) Ga22Mg(2)Al(1)O36 的晶体模型。
图 2. (a) β-Ga2O3; (b) Ga23Mg(2)O36; (c) Ga23Al(2)O36; (d) Ga6Mg(1)Al(2)O12; (e) Ga6Mg(2)Al(1)O12; (f) Ga14Mg(1)Al(2)O24; (g) Ga14Mg(2)Al(1)O24; (h) Ga22Mg(1)Al(2)O36; (i) Ga22Mg(2)Al(1)O36; (j) Ga30Mg(1)Al(2)O48; (k) Ga30Mg(2)Al(1)O48 的带状结构。
DOI：
doi.org/10.1149/2162-8777/adb5bc
