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压力作用下透明导电氧化物2H-CuGaO 2的结构和性能
刘启祥，刘文婷，鲁一荻，史奔，马艳恒
（西安石油大学材料科学与工程学院，陕西西安 710065）
摘 要： 铜铁矿材料（CuMO 2）性能优良，是具有本征p型半导体特性的透明导电氧化物，且有2H和3R两种结构。为研究2H-CuGaO 2的结构和性能，基于密度泛函理论（DFT）框架下的平面波超软赝势法，计算了压力作用下2H-CuGaO 2的晶体结构、弹性性质和电子结构。研究发现：1）压力增加能够导致2H-CuGaO 2晶胞的收缩；2）在0~30 GPa压力范围内，2H-CuGaO 2是延展性材料；3）当压力为20.83 GPa时，2H-CuGaO 2变得不稳定；4）2H-CuGaO 2是间接跃迁带隙半导体，价带主要由Cu的3d态及O的2p态电子构成，导带主要由Cu的3p态及O的2p态电子构成，且当压力增加时，带隙值线性增大。本研究对相关材料的使用有参考作用。关键词： 透明导电氧化物；2H-CuGaO 2；压力；弹性常数；平面波超软赝势法
中图分类号：O 741+.5 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 (2019) 03-086-05工业技术创新 URL : http: //https://www.doczj.com/doc/b314893485.html, DOI : 10.14103/j.issn.2095-8412.2019.03.017
引言
透明导电氧化物（Transparent Conductive Oxide ，TCO ）是具有优良光电特性的薄膜材料，它有禁带宽度大、在可见光谱区透射率较高、电阻率低等光电特性[1]。TCO 既透明又导电的优异性能，使其在太阳能电池、平面显示、特殊功能窗口涂层及其他光电器件领域得到了广泛的应用[2, 3]。应用领域中的TCO 基本上为n 型氧化薄膜，而性能更为良好的p 型氧化薄膜难以制备。1997年，Kawazoe 等[4]首次采用脉冲激光沉积法成功地制备了具有本征p 型半导体特性的透明导电材料CuAlO 2，不需要复杂的掺杂p 型化处理。在此之后，一批具有p 型半导体特性的铜铁矿材料CuMO 2（M=Ga ，In ，Y ）相继被发现，引发了多年来的研究热潮。
CuGaO 2是八面体结构，会以不同的方式沿c 轴堆积，进而产生不同的相结构，其中3R （R-3m 空间群，菱方）和2H （P63/mmc 空间群，六方）两种结构最为常见。目前虽然也有关于CuGaO 2的研究，如Takashi 等[5]通过脉冲激光沉积法相继制备了性能优良的沉积态CuGaO 2及CuGaO 2薄膜，再如Godinho 等[6]通过不同的软件及方法对CuGaO 2的相关性质进行了计算研究，但这些研究基本都是以3R-CuGaO 2为中心开展的，关于2H-CuGaO 2的研究则非常少。在实际使用过程中，CuGaO 2需要承受一定的压力，
压力的存在会导致CuGaO 2的结构发生转变，从而引起其性能的变化，这些研究对于拓展2H-CuGaO 2的应用领域相当重要。
本文采用基于密度泛函理论（DFT ）的平面波超软赝势法，计算2H-CuGaO 2在压力作用下的相关性质。
1 研究路线
研究路线如下：
（1）利用Materials Studio 软件，根据实验数据建立2H-CuGaO 2晶体结构。
（2）通过CASTEP 模块，选择GGA （广义梯度近似）中的Perdew-Wang 1991（PW91）函数作为交换关联能。
（3）对2H-CuGaO 2晶体结构进行优化。
（4）在CASTEP 模块中利用平面波超软赝势法对研究体系的晶体结构、弹性性质、电子结构等进行计算及分析。
目前的平面波电子结构数值计算中，范数守恒（Norm-conserving ）和超软（Ultra-soft ）赝势是两种最常用的赝势。这两种赝势使基组可用较低的截断频率来描述电子的波函数。超软赝势松弛了范数守恒赝势中的限制条件，进一步缩小了计算必需的基组集合，从而可在有限的计算资源下达到一定的数值收敛。同时，超软赝势让波