(Tl_xGa_1-x)₂O₃合金电子结构的第一性原理计算

摘要

采用基于密度泛函理论的第一性原理仿真计算方法，研究了(Tl_xGa_1-x)₂O₃合金的结构稳定性和电学特性。通过替换β-Ga₂O₃和C-Tl₂O₃中的阳离子构建了不同浓度的β-(Tl_xGa_1-x)₂O₃和C-(Tl_xGa_1-x)₂O₃掺杂模型。对不同模型进行了结构优化，并对它们的热力学稳定性、晶格常数、能带结构及态密度等性质进行了计算。计算结果表明，Tl掺杂会导致β-Ga₂O₃晶格常数变大，生成焓变大，稳定性减小。在β-(Tl_0.5Ga_0.5)₂O₃结构中，所有Tl原子占据八面体位点，所有Ga原子占据四面体位点，形成了类似有序合金的结构，有着局域最低生成焓，具有更好的稳定性。当Tl浓度小于66%时，单斜相结构的生成焓比立方相结构更低，在合成方面是优选结构；对于更高的Tl浓度，立方相结构是优选结构。随着Tl浓度增加，导带底逐渐向更低能量范围移动，导致β-(Tl_xGa_1-x)₂O₃体系带隙逐渐变小。从态密度方面分析，随着Tl浓度上升，导带底逐渐被Tl-6s态占据，从而导致带隙宽度变小。研究结果表明，不同浓度的(Tl_xGa_1-x)₂O₃体系在热力学稳定性上有不同的优选结构，且控制合适的掺杂浓度是一种实现(Tl_xGa_1-x)₂O₃材料可调电学性质的有效方法。

关键词

第一性原理计算 / 生成焓 / 电学性质 / β-(Tl_xGa_1-x)₂O₃合金 / β-Ga₂O₃