Lu-Eu共掺杂Ga_%282%29O_%283%29的光电性质的第一性原理计算.pdf

第41卷第3期2024年6 月J.At.Mol.Phys.,2024,41:036003(8pp)Lu-Eu共掺杂Ga,O,的光电性质的第一性原理计算原子与分子物理学报JOURNAL OF ATOMIC AND MOLECULAR PHYSICSVol.41 No.3Jun.2024邹梦真，肖清泉，姚云美，付莎莎，叶建峰，唐华著，谢泉（贵州大学大数据与信息工程学院新型光电子材料与技术研究所，贵阳550 0 2 5）摘要：宽禁带半导体-Ga,O,因为具有优良的物理化学性能而成为研究热点：本文基于DFT(DensityFunctional Theory）的第一性原理方法，先采用PBE(Perdew-Burke-Ernzerhof)中的 GGA(Generalized Gradi-ent Approximation）和 GGA+U(Generalized Gradient Approximation-Hubbard U）的方法计算了本征-Ga20,Lu掺杂浓度为12.5%的-Ga,0,及Lu-Eu共掺杂浓度为2 5%的-Ga,0,结构的晶格常数、能带结构和体系总能量：发现采用GGA+U的方法计算的带隙值更接近实验值，于是采用GGA+U的方法计算了本征-Ga,O3,Lu掺杂的-Ga,O,以及Lu-Eu共掺杂的-Ga,O,结构的能态总密度、介电函数、吸收谱以及反射率等。由计算结果得知-Ga,O,的带隙为4.2 4eV,Lu掺杂浓度为12.5%的-Ga,0,的带隙为2.2 3eV,Lu-Eu共掺杂浓度为2 5%的-Ga,0,的带隙为0.9 eV,均为直接带隙半导体，掺杂并未改变-Ga,O,的带隙方式：光学性质计算结果表明在低能区掺杂浓度为12.5%的Lu和Lu-Eu共掺杂浓度为2 5%的-Ga,O,的吸收系数和反射率均强于本征-Ga,O3,Lu-Eu掺杂-Ga,O,的吸收系数和反射率又略强于Lu掺杂-GazO,，表明Lu-Eu掺杂-Ga,O,的材料有望应用于制备红外光电子器件.关键词：第一性原理；Lu-Eu共掺-Ga,O3；电子结构；光学性质中图分类号：0 47 1First-principles study on the photoelectric properties of文献标识码：ALu-Eu co-doped -Ga,O,D0I:10.19855/j.1000-0364.2024.036003ZOU Meng-Zhen,XIAO Qing-Quan,YAO Yun-Mei,FU Sha-Sha,YE Jian-Feng,TANG Hua-Zhu,XIE Quan(Institute of Advanced Optoelectronic Materials and Technology,College of BigData and Information Engineering,Guizhou University,Guiyang 550025,China)Abstract:Wide band gap semiconductor -Ga,O,has become a research hotspot because of its excellent physi-cal and chemical properties.Based on the first-principle method of density functional theory,the band struc-tures,lattice constants and total energies of intrinsic -Ga,O3,Lu-doped -Ga,O,at a doping concentrationof 12.5 at%and Lu-Eu co-doped -Ga,O,at a doping concentration of 25 at%structures were calculatedby GGA（G e n e r a l i z e d G r a d i e n t A p p r o x i m a t i o n)a n d G G A +U （G e n e r a l i z e d G r a d i e n t A p p r o x i m a t i o n -H u b b a r dU)methods in PBE(Perdew-Burke-Ernzerhof).It is found that the band gap calculated by the GGA+Umethod is closer to the experimental value,so the GGA+U method was used to calculate the basic physicalproperties,such as the density of states,dielectric function,absorption spectrum and reflectance,for the intrin-sic -Ga,O3,Lu-doped -Ga,O,and Lu-Eu co-doped -Ga,O,systems.The results show that theband gap of -Ga,O,is 4.24 eV,the band gap of Lu-doped -Ga,O,at a doping concentration of 12.5 at%is 2.23 eV,and the band gap of Lu-Eu co-doped -Ga,O,at a doping concentration of 25 at%is 0.9 eV.收稿日期：2 0 2 2-0 7-30基金项目：贵州大学智能制造产教融合创新平台及研究生联合培养基地建设项目（2 0 2 0-52 0 0 0 0-8 3-0 1-32 40 6 1）；贵州省留学回国人员科技活动择优资助项目（2 0 18 0 9）；贵州省高层次创新型人才培养项目（2 0 1540 15）作者简介：邹梦真（19 9 7 一），女，硕士研究生，主要从事新型光电子材料的研究，E-mail：157 8 59 4316 q q.c o m通讯作者：肖清泉.E-mail：q q x i a o g z u.e d u.c n036003-1第41卷All of these are direct band gap semiconductors.The doping does not change the band gap mode of -Ga,Os.The calculation results of optical properties show that the absorption coefficient and reflectance of Lu-doped -Ga O,at a doping concentration of 12.5 at%and Lu-Eu co doped -Ga,O,at a doping concentration of 25at%are stronger than those of intrinsic -Ga,O,in the low energy region.The absorption coefficient and reflec-tance of Lu-Eu-doped -Ga,O,are slightly stronger than Lu-doped -Ga,Os,indicating that Lu-Eu co-doped -Ga,O,materials are likely to be used in the manufacture of infrared photoelectronic devices.Key words:First-principles;Lu-Eu co-doped -Ga,O;Electronic structures;Optical properties1 引 言第四代半导体材料中，由于氮化铝（AIN）和金刚石仍面临大量科学问题呕待解决，氧化镓则成为继碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)之后最具市场潜力的材料氧化有5种同分异构体，分别为、和8.G a O,属于三方晶系，它是刚玉晶体结构GaO,和Ga,O,属于立方晶系，-Ga,O,为方铁锰矿结构，8-Ga,0,属于六角晶系GaO,的五种同分异构体中，GazO,是目前为止研究最多的同分异构体，因为相氧化镓最为稳定，当加热至10 0 0 或湿法加热至30 0 以上时，其他所有亚稳相的异构体都会被转换为相异构体.-Ga,O,有优越的透明度、热稳定性2,3、生产成本低4 等优点，近年来被科研人员大量研究5.Sun等人1发现从能量角度看，O原子比Ga原子更容易脱离晶格位置，从而形成氧空位：-GazO,由于O空位的存在而呈现出n型半导体的特征7 ，目前n型半导体已经基本实现8 利用这一特点已将其广泛用于制备传感器、紫外光电探测器和大功率电子器件9.10 2 0 19年He等人实验制备了基于石墨烯/-Ga,O,/GaN异质结探测器，光响应度达到550 A/W.2020年，Feng等人【12 在铁掺杂半绝缘-GazO,衬底上外延生长了UID缓冲层和锡掺杂外延层并实现了具有较高饱和电流的新型增强型MOSFET.-GaO,的带隙变化范围为4.2 eV到4.9ev13，带隙比GaN(3.4 eV)和SiC(3.2 eV)的都要大，-Ga0,存在优异p型导电材料难以制备的问题4-16 ,对-GazO,器件的发展有所限制2 0 2 0 年，Ma等人17 对-Ga,O,进行Al-N和In-N掺杂，发现Al-N掺杂比N单掺更易产生更浅的跃迁能级.2 0 18 年，Su等人18 研究了-Ga,0,中掺杂Zn和Mg，发现掺杂会引人受主能级，但受主能原子与分子物理学报级的位置相对比较深，再次反映了P型掺杂-GaO,的实现具有一定的困难，调控材料性能可以采用压力调控19 和界面工程2 0 ，也可通过掺杂提高基于-Ga,0,的器件的性能2 1-2 4。本文将采用基于 DFT的第一性原理方法，对 Lu 掺杂浓度为12.5%的-Ga,O,体系以及 Lu-Eu共掺杂浓度为2 5%的-Ga0,体系的光学性质以及电子结构进行探索为后续的理论研究以及实验制备提供一定的理论参考。2计算方法-Ga,O,是单斜晶系，所属空间群为C2/m，其晶格常数a=12.25A，b=3.0 4A，c=5.8 0 A,夹角=103.725本文采用有2 0 个原子的-Ga0,的单胞结构作为计算的基本单元，如图1(a)所示用一个Lu原子替换图1(a)中的一个Ga原子，得到Lu掺杂浓度为12.5%的-Gaz03结构如图1(b)所示，用一个Eu原子替换图1(b)中的一个Ga原子，得到LuEu 共掺杂浓度为25%的-Ga,0,结构如图1(c)所示本文的计算都基于密度泛函理论的Cambridge SequentialTo-tal EnergyPackage（CA ST EP）软件包完成，分别采用了PBE（Pe r d e w -Bu r k e Er n z e r h o f）中的 GGA(Generalized Gradient Approximation）和 GGA+U(Generalized Gradient Approximation-Hubbard U)的方法进行计算计算时本征-GazO,结构，Lu掺杂-Ga,O,结构以及 Lu-Eu共掺杂的-Ga0,结构的优化参数设置相同，原子最大位移收敛标准0.0 0 1A、原子间最大相互作用力设置为0.0 2eV/A、自洽精度设为2.0 10-seV/atom、原子上的最小作用力0.0 5GPa、截断能设置为57 0 eV、k采样密度设置为2 8 4.对-Ga0,进行几何优化，结构优化完成的标志是4个参数均达到或优于收敛标准。3丝结果与分析036003-2第3期第41卷(a)(b)(c)图1（a)本征-Ga,O,结构；（b)Lu掺杂的-Ga,O,结构；（c)Lu-Eu共掺杂-Ga,O;结构Fig.1The structures of(a)intrinsic-Ga,O3,(b)Lu-doped -Gaz Os,and(c)Lu-Eu co-doped -Ga,O;3.1几何优化结果分析表1中包含了采用PBE中的GGA和GGA+U的方法计算本征G a O3，Lu 掺杂浓度为12.5%的-GaO,以及Lu-Eu共掺杂浓度为25%的-Ga0,结构的晶格常数和体系总能量由表1 可知本征-Ga,O,用 GGA+U的方法计算得到的晶格常数、b、c 的值分别是12.45A、3.08A以及5.8 8 A，与文献值基本一致2 5，表明优化的参数设置较合理，后续模拟计算结果有一定的准确性：由表1可以看出Lu掺杂浓度为12.5%的-GazO,以及Lu-Eu共掺杂浓度为25%的-Ga,O,体系的总能量小于本征-Ga2O3，也即掺杂后的-GaO,结构可能会更稳定。采用GGA方法计算三个体系得出的晶格常数值是随着掺杂元素的增多而变大：对比GGA和CGA+U的方法计算的三个体系的晶格常数，可以看出GGA+U计算的晶格常数都略小于GGA方法计算所得晶格常数，3.2电子结构3.2.1能带结构图2 展示了用GGA和GGA+U的方法计算本征-Ga,03，Lu 掺杂浓度为12.5%的-Ga,0以及Lu-Eu共掺杂浓度为2 5%的-Ga,O,得到邹梦真，等：Lu-Eu共掺杂GazO,的光电性质的第一性原理计算GaQaQGaGaOLU0Q第3期表1 本征-Ga O;，Lu 掺杂-Ga,O,以及 Lu-Eu 共掺杂的-Ga,O,结构晶格常数和体系总能量GGaGaQGaQOEU0ETable 1 The lattice parameters,total energies of intrinsic-Ga,O,Lu-doped -Ga,O,and Lu-Eu co-doped -Ga,O,structureIntrinsic -Ga,O,(GGA)Intrinsic -Gaz O3(GGA+U)Lu-doped -Ga,O3QGaGaQa(A)b(A)c(A)12.553.135.97-22453.3512.453.085.8821501.2812.643.165.9727433.46(CGA)Lu-doped -Ga,O3(GGA+U)Lu-Eu co-doped-Ga2 O;(GGA)Lu-Eu co-doped-Ga,O,(CCA+U)的能带结构图：从图2(a）中可以看出用GGA方法计算的本征-Ga,O,的带隙值为1.7 2 eV，图2(b)则是用 CGA+U的方法计算本征-Ga,O;得到的能带结构图，由图2(b)得知本征G a 0,的带隙值为4.2 4eV，这与实验值4.4eV25相差不大图2（c）和（d)分别表示了用GGA 和GGA+U方法计算Lu掺杂浓度为12.5%的-Ga,O,结构得到的能带图，由图2(c)和(d)可知Lu掺杂浓度为12.5%的-GazO,的带隙值分别为2.0 2 eV和2.2 3 eVLu-Eu 共掺杂浓度为25%的-Ga,O,的能带结构如图2(e）和(f)所示，由图2(e)可以得知GGA方法计算的带隙值为0.45eV，由图2(f)可以得知GGA+U方法计算的带隙值为0.90 eV.对比三个体系分别用GGA和GGA+U的方法计算得到的带隙值，可以发现GGA+U方法计算的带隙值大于GGA方法计算的，对于本征-Ga,O,结构，GGA+U方法计算的带隙值几乎接近实验值，表明GGA+U方法修正了 GGA方法中由于DFT(Density Functional The-ory）对电子的交换关联势低估造成的误差：因此，对能带结构图的分析侧重于采用GGA+U方法计算所得的图2(b）、（d)和(f).从图2(b)可以得知本征-Ga,O,为直接带隙半导体材料，导带底和价带顶均位于布区的G处图2(d)展示了Lu掺杂浓度为12.5%的-Ga,O,的能带结构图，其导带底和价带顶均位于布区的G处，由图可以看出Lu掺杂后-GazO3的带隙值为2.2 3eV，带隙明显减小，由于Lu掺036003-3Totalenergy(eV)12.293.055.82-26430.3213.093.316.1728026.5712.873.266.11-28042.00第41卷杂浓度为12.5%的-Ga,0,的费米能级向下进入价带故为P型掺杂图2(f)展示了Lu-Eu共掺杂浓度为2 5%的-Ga,0,的能带结构图，其导带底和价带顶均位于布区的Q处，由图可以看出LuEu共掺杂后-Ga,O,的带隙值为0.9eV，带隙明显减小：由图2（d)和(f)可以看出,Lu掺杂和 Lu-Eu共掺杂后-Ga,O,依旧是直接(a)原子与分子物理学报带隙材料，但掺杂使得G a,O,的带隙值减小.推测禁带宽度变小的原因是：Lu和Eu原子最外层电子数是2，而Ga原子最外层电子数为3，Lu和Eu最外层电子比Ga最外层少了1个，受到Lu掺杂和LuEu 共掺杂的影响，改变了费米面附近电子结构，使导带向低能方向偏移，价带向高能方向偏移，禁带宽度变窄。(b)第3期(c)1010104.24eV1.72eV02.02eVQGF(d)ZG(e)ECZGYABDC(f)FQZG1010102.23eV0.45eV0.90eVG图2 各掺杂体系能带结构图：（a)本征-Ga,O,（G G A)；（b)本征-Ga,O，（CG A+U)；（c)Lu 掺杂的-Ga,O,（CG A)；（d)Lu 掺杂的-Ga,O,（CG A+U)；（e)Lu-Eu 共掺的-Ga,O;(GGA);(f)Lu-Eu共掺的-Ga,O,(GGA+U)Fig.2 Band structures of various doping-Ga,O;systems:(a)Intrinsic-Ga,O,(GGA);(b)Intrinsic-Ga,O,(CGGA+U);(c)Lu-doped -Ga,O,(CGA);(d)Lu-doped -Ga,O,(GGA+U);(e)Lu-Eu co-doped -Ga,O,(GGA);(f)Lu-Eu co-doped -Ga,O,(GGA+U)3.2.2态密度本征-Ga,03，Lu 掺杂浓度为12.5%的-Ga,O,以及 Lu-Eu共掺杂浓度为2 5%的-Ga,O,结构的总态密度（TDOS）和分态密度(PDOS)如图3所示图3(a)是本征-Ga,O,在-10eV-20eV能量范围内的TDOS和PDOS，由图3(a)可知，本征-GaO,的价带主要由O-p态和少量 Ga-s 态组成，导带部分主要由 Ga-s态和少量O-p态占据对本征-Ga,O3，可将总态密度图可以分为三个能量区间进行分析讨论.在-10 eV-0 eV时，-Ga,O,的总态密度主要是来自于0 的p轨道；在0 eV-10eV时，对总态密度的主要贡献是 Gas 态；在10 eV-20 eVFQZGGF036003-4Q时，对-Ga,O,的总态密度的贡献主要来自于Ga的p态和O的s态.图3(b)是Lu掺杂浓度为12.5%的-Ga,0;在-2 0 eV20eV能量范围内的TDOS和PDOS,由图3(b)可知，Lu掺杂-Ga,O,导带部分主要由 Ga-s态、Ga-p态、O-p态、Lu-d态以及少量Os 态构成，而其价带部分主要由O-p态、O-s态、Ga-d态和Lu-f态构成对Lu掺杂浓度为12.5%的G a,0,的总态密度图分三个能量区间进行讨论，在-2 0 eV一-10 eV时，Lu掺杂后-Ga,O,的总态密度主要来自 Ga-d态和O-s态；在-10 eV0eV时，Lu掺杂后-Ga,O,的总态密度主要来自O-p态和少量Lu-ZGFQZG第41卷f态；在0 eV一2 0 eV内，对总态密度的主要贡献是Lu的d态、Ga-p态和O-p态和未掺杂-Ga,O,对比，Lu掺杂浓度为12.5%的-Ga,03体系禁带变窄，这与能带图的分析一致图3（c）是Lu-Eu共掺杂浓度为2 5%的-Ga,0,在-15eV30eV能量范围内的TDOS和PDOS，由图3（c)可知，Lu-Eu共掺-Ga,O,的导带部分主要由Eu-f态、Lu-p态以及少量的Ga-p态和O-p态构成，其价带部分则主要由O-p态、Lu-p态、Eu-f态构成对Lu-Eu共掺杂-Ga,O;20上(a)100.02.41.81.20.60.0-10邹梦真，等：Lu-Eu共掺杂Ga,O,的光电性质的第一性原理计算-TDOS80FE（b)15Ga-s10Ga-PGa-dO-SO-P0Energy/ev第3期的总态密度图也分三个能量区间进行讨论，在15 eV一-10 eV 时，Ga-d态和 Lu-d态以及少量0-s态对总态密度贡献较多；在-10 eV0eV时，对总态密度的主要贡献是O-p态和Eu的f态；而在0 eV一30 eV时，对总态密度的主要贡献是 Eu-f 态、Eu-d 态、Lu-f 态以及少量的 Lu-p态、O-p态和Ga-p态和Lu掺杂-Ga,O3对比，Lu-Eu共掺杂-Ga,O,后体系使得价带向高能方向移动，导带向低能方向偏移，禁带变的更窄对态密度的分析与能带图的分析相符合。TDOSGa-sGa-pGa-dO-sO-P0.0Lu-s201510501020-20TDOSO-PS2Ga-sBSGa-pGa-dLu-SLu-dL-FLu-fLu-P7.5Lu-d5.0Lu-f2.50.0-1010Energylev0Eu-PEu-sEu-dEu-f20-15Energy/ev1530图3各掺杂体系的态密度：（a)本征-GaO3；（b)Lu 掺杂的-GazO3；（c)Lu-Eu 共掺的-Ga,03Fig.3 Densities of states of various doping-Ga,O,systems:(a)Intrinsic-Ga,O3;(b)Lu-doped-Ga,O,;(c)Lu-Eu co-doped -Ga,O;3.3光学性质3.3.1介电函数本征-Ga,03，Lu 掺杂浓度为12.5%的-Ga,O,以及Lu-Eu共掺杂浓度为2 5%的-Ga,0,的复介电常数如图4所示，图4（a)为本征-Ga,O3，Lu 掺杂-Ga,O,以及 Lu-Eu共掺杂的-Ga,O,介电函数实部图像，由图可知本征-Ga,O3，Lu 掺杂浓度为12.5%的-Ga,0,以及Lu-Eu共掺杂浓度为2 5%的-Ga,O,在能量零点的静态介电常数分别是是3.12、3.36、3.33.且分别在光子能量为7.9 2 eV、7.5e V、7.16 e V时取得各自峰值4.0 1、4.38、4.45.另外，在0eV8eV 的光子能量范围内，Lu 掺杂和 Lu-Eu共掺后-Ga,O,的介电常数值略大于本征-Ga,O,的介电常数值，说明在光子能量0 eV一8 eV范围内对电荷的束缚能力变强Lu-Eu共掺杂-Ga,O,的介电函数的实部在8 eV15eV范围内略小于本征和Lu掺杂体系；在15eV25eV范围内又略大于本征和Lu掺杂体系；在2 5eV一50eV范围内，介电函数的实部逐渐减小。图4(b)为本征-Ga,O,，Lu 掺杂-Ga,O;以及Lu-Eu共掺杂的-Ga,O,的介电函数虚部图像，由图可知本征G a 0,的峰值是3.2 8 位于15.6 eV处，在能量11.5eV时取得次峰值2.92.出现该波峰的主要原因是Gas 态电子和O-p电子的跃迁.Lu掺杂后-Ga,O,在光子能量15.3eV时取得峰值3.5，在能量12.0 3eV时取得次峰值3.2 6.在0 eV16eV的光子能量范围内，Lu掺杂浓度为12.5%的-Ga,0,的介电常数值略大于本征-Ga,O,的介电常数值，表明了掺杂使得-Ga,O,在低能区的光跃迁强度增加.Lu-Eu共掺杂的-Ga,O,在光子能量12 eV取得峰值3.58，在能量9.19eV处取得次峰值3.04，在0 eV13eV的光子能量范围内，Lu-Eu共掺体系的介电常数值略大于本征和Lu掺杂体系，表明了 Lu-Eu共掺使得-Ga,O,在低能区的电子吸收光子的可能性变大，激发态的电子变多，光跃迁强度明显增加。3.3.2吸收谱本征-Ga,0，Lu 掺杂浓度为12.5%的-Ga,0,以及Lu-Eu共掺杂浓度为2 5%的-Ga,O,的吸收谱如图5所示由图可得本征-Ga,0,的吸收系数的峰值和次峰值分别在18.7 eV和16.3eV处取得，其值分别为3.310 cm1和036003-5第41卷(a)20(b)3.51.51.00.50.0-0.5图4各掺杂体系的复介电常数：（a)介电常数实部；(b)介电常数虚部Fig.4 Dielectric functions of various doping -Ga,O,systems:(a)Real parts;(b)Imaginary parts310cm-1.Lu 掺后-Ga,0,的吸收系数在19.4eV处取得峰值3.1510 cm，Lu-Eu 共掺杂的-Ga,O,的吸收系数在2 5.8 eV处取得次峰值2.47 10 cm，在31.7 eV处取得峰值2.5410cm=1.计算结果表明在低能区0 eV14eV 范围内，Lu-Eu掺杂后体系的吸收系数比本征-Ga,O,和Lu掺后-Ga,O,的略大；在14eV25 eV能量范围内，本征-Ga,O,和 Lu掺杂后的体系的吸收系数则高于 Lu-Eu共掺-Ga,O,体系；在2 5 eV60 eV能量范围内，Lu掺杂后的体系和 Lu-Eu共掺-Ga,O,体系的吸收系数则高于本征-Ga,O,体系，这表明了掺杂提高-Ga,O,在高能区的吸收能力。3500003000002500002000001500001000005000000图5各掺杂体系的吸收系数Fig.5 Asorption coefficients of various doping -Ga2O,systems3.3.3反射系数本征-Ga,03，Lu 掺杂浓度为12.5%的-Ga,O,以及 Lu-Eu共掺杂浓度为2 5%的-原子与分子物理学报Intrinsic-Ga,O,Ga,0,体系的反射系数如图6 所示从图中可以看Lu-doped-Ga,O;出本征G a O,在能量为0 eV时反射率为-Lu-Eu co-doped-Ga,O,0.077，其反射率具有三个明显的峰，在2 2.2 eV处达到最高峰值0.2 37，最高峰后随着能量的增加，本征-Ga,O,的反射系数逐渐减小Lu 掺杂-Ga,O,体系在能量为0 eV处的反射率为0.087.Lu掺后-Ga,O,的反射系数在 16.2 eV处取得峰值0.2 2，然后在能量范围为30 eV一1020Energy/evIntrinsic-Ga,O,Lu-doped-Ga,O,-Lu-Eu co-doped-Ga,O,111020Energy/eV第3期30403040505060036003-633.8eV时，反射系数随着光子能量的增大而增大，然后在33.8 eV后逐渐减小Lu-Eu共掺杂的-Ga,0,在能量为0 eV时的反射率为0.0 8 5，其反射率有两个明显的峰，在12.5eV处取得峰值0.197，在32.4eV处取得次峰值0.17.对比本征-Ga,O3，Lu 掺杂-Ga,O,以及 Lu-Eu共掺杂的-Ga,O,三个体系在能量为0 eV时的反射率，可以得出 Lu 掺杂-Ga,O,以及Lu-Eu共掺杂的反射率均大于本征-GaO,的反射率，这表明着 Lu 元素以及 Eu元素的掺杂使-Ga,O,在能量为OeV时的透射能力变弱。计算结果表明在低能区0 eV15eV范围内Lu-Eu共掺杂后体系的反射系数略大于本征-GaO,和 Lu 掺杂-Ga,O3.本征-Ga,O,在取得峰值后，随着能量的增加，其反射率是逐渐减小的；而Lu掺杂-Ga,O,和 Lu-Eu共掺杂-Ga,O,则是在33.8 eV和32.5eV处各自取得次峰值后，随着能量的增大其反射率整体下降Lu-Eu掺杂体系的反射率在能量为15eV25eV时，与本征及Lu掺杂体系相比，其反射率明显降低Lu 掺杂和 LuEu掺杂体系的反射率峰值均低于本征-Ga,O3，表明掺杂使得-Ga,O,对可见光的利用率增强.4结 论本文先采用PBE中的 GGA 和 GGA+U的方法计算了本征-Ga,03，Lu 掺杂浓度为12.5%的-Ga,O,以及Lu-Eu共掺杂浓度为2 5%的-Ga,O,结构的晶格常数、能带结构和体系总能量发现采用GGA+U的方法计算的带隙值更接近实验值，也即计算更精确然后采用GGA+U的方法计算了本征-GazO3，Lu 掺杂浓度为12.5%的-Ga,O,以及LuEu 共掺杂浓度为25%的-Ga,0,结构的态密度、介电函数、吸收谱以及反射率等基本物理特性，计算结果表明本征-Ga,O,的带隙为4.2 4eV，是直接带隙半导体材料，Lu掺杂浓度为12.5%的G a,0,的带第41卷0.250.200.150.100.050.000Fig.6Reflectivity coefficients of various doping -Ga,O;systems隙为2.2 3eV，仍为直接带隙半导体材料Lu原子在-Ga,O,属于受主杂质，在-GazO,中引人的深受主杂质成为有效的复合中心LuEu 共掺杂浓度为2 5%的-Ga,0,的带隙为0.9eV,仍为直接带隙半导体材料此外，光学性质的计算结果表明，在低能区内掺杂体系的介电函数、反射率和吸收系数均强于本征-GaO3，表明Lu 掺杂和 Lu-Eu共掺杂改善了本征-Ga,O,在红外光区的光电性能，有望应用于制作红外光电子器件.参考文献：1Rustum R,Hill V G,Osborn E F.Polymorphism ofGa O,and the system Ga,O,-H,O J.J.Am.Chem.Soc.,1952,74:719.2Baldini M,Galazka Z,Wagner G.Recent progress inthe growth of -Ga,O,for power electronics applica-tionsJ.Mater.Sci.Semicond.Proc.,2018,78:133.3Ritter J R,Huso 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