[논문]산화 아연에서의 질소 용해도에 대한 알루미늄의 효과 : 밀도 범함수 이론

김대희; 이가원; 김영철

doi:10.3740/mrsk.2011.21.12.639

산화 아연에서의 질소 용해도에 대한 알루미늄의 효과 : 밀도 범함수 이론
Effect of Aluminum on Nitrogen Solubility in Zinc Oxide: Density Functional Theory 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.21 no.12, 2011년, pp.639 - 643

김대희 (한국기술교육대학교 에너지.신소재.화학공학부) , 이가원 (충남대학교 전자공학과) , 김영철 (한국기술교육대학교 에너지.신소재.화학공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Zinc oxide as an optoelectronic device material was studied to utilize its wide band gap of 3.37 eV and high exciton biding energy of 60 meV. Using anti-site nitrogen to generate p-type zinc oxide has shown a deep acceptor level and low solubility. To increase the nitrogen solubility in zinc oxide, group 13 elements (aluminum, gallium, and indium) was co-added to nitrogen. The effect of aluminum on nitrogen solubility in a $3{\times}3{\times}2$ zinc oxide super cell containing 72 atoms was investigated using density functional theory with hybrid functionals of Heyd, Scuseria, and Ernzerhof (HSE). Aluminum and nitrogen were substituted for zinc and oxygen sites in the super cell, respectively. The band gap of the undoped super cell was calculated to be 3.36 eV from the density of states, and was in good agreement with the experimentally obtained value. Formation energies of a nitrogen molecule and nitric oxide in the zinc oxide super cell in zinc-rich conditions were lower than those in oxygen-rich conditions. When the number of nitrogen molecules near the aluminum increased from one to four in the super cell, their formation energies decreased to approach the valence band maximum to some degree. However, the acceptor level of nitrogen in zinc oxide with the co-incorporation of aluminum was still deep.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 ZnO 내부에서 N의 용해도를 증가시키기 위한 Al의 효과를 하이브리드 함수를 포함하는 DFT를 이용하여 수행하였다. 계산된 ZnO의 밴드갭은 3.

가설 설정

NO 분위기에서(Fig. 3(b)), Al 주변의 N의 개수가 증가하면 VBE에서의 형성 에너지가 점점 감소하였다. 결과적으로, N₂ 분위기보다 NO 분위기에서 N이 Al 주변에 더 잘 형성되었다.

제안 방법

37 eV)¹⁾과 상당히 유사하였다. 계산된 밴드갭을 이용하여 Al과 N이 함께 도핑된 초격자 구조의 형성 에너지를 계산하였다.
2는 Zn-rich와 O-rich 일 때의 N₂와 NO 분자의 형성 에너지 변화를 보여준다. 두 분자 모두 Zn-rich 조건에서 상대적으로 낮은 형성 에너지를 보이므로 본 연구는 Zn-rich 조건을 고려하였다. 이는 Zn-rich 조건에서 N의 용해도가 우수하다는 기존 결과와 잘 일치한다.
본 연구는 ZnO 내부에서 N의 용해도에 대한 Al의 효과를 밀도 범함수 이론(density functional theory, DFT)을 이용하여 수행하였다. 실험값과 가까운 밴드갭을 얻기 위해 하이브리드 함수(hybrid functional)가 포함된 DFT를 사용하였다.
이 단위 격자를 3 × 3 × 2 초격자 구조로 확장시킨 후, 상태 밀도(density of states, DOS)를 하이브리드 함수로 계산하였다.
정확한 밴드갭 계산을 위해 ZnO 단위 격자를 최적화하였다. 최적화된 단위 격자의 격자 상수 a와 c는 각각 3.

대상 데이터

실험적으로, N를 ZnO에 첨가시키기 위해 N₂ 또는 NO를 사용한다. Fig.

이론/모형

29-31) Heyd, Scuseria, Ernzerhof (HSE)32)가 정의한 하이브리드 함수와 Blöchl33)이 정의한 projector augmented wave (PAW) 방법을 사용하였다.
35,36) 사용된 Cutoff 에너지는 500 eV이고, Monkhorst-Pack grid 방법37)을 이용한 2 × 2 × 2 k-points mesh를 사용하였다.
^29-31) Heyd, Scuseria, Ernzerhof (HSE)³²⁾가 정의한 하이브리드 함수와 Blöchl³³⁾이 정의한 projector augmented wave (PAW) 방법을 사용하였다. Hartree-Fock (HF) exchange와 Perdew, Burke, Ernzerhof (PBE)³⁴⁾가 정의한 generalized gradient approximation (GGA)이 혼합된 하이브리드 함수를 사용하였다. 전자의 바닥 상태는 residual minimization method of direct inversion in the iterative subspace (RMM-DIIS)로 고려하였다.
모든 계산은 DFT을 기반으로 한 Vienna ab-initio simulation package (VASP) code를 이용하여 수행하였다.^29-31) Heyd, Scuseria, Ernzerhof (HSE)³²⁾가 정의한 하이브리드 함수와 Blöchl³³⁾이 정의한 projector augmented wave (PAW) 방법을 사용하였다.
37 eV)¹⁾보다 매우 작기 때문에, 정확한 acceptor level을 확인할 수 없다. 본 연구는 ZnO 내부에서 N의 용해도에 대한 Al의 효과를 밀도 범함수 이론(density functional theory, DFT)을 이용하여 수행하였다. 실험값과 가까운 밴드갭을 얻기 위해 하이브리드 함수(hybrid functional)가 포함된 DFT를 사용하였다.
^35,36) 사용된 Cutoff 에너지는 500 eV이고, Monkhorst-Pack grid 방법³⁷⁾을 이용한 2 × 2 × 2 k-points mesh를 사용하였다. 전자가 오비탈(orbital)을 채우는 정도를 조절하기 위하여 Gaussian 방법을 사용하였으며, smearing factor는 0.05 eV로 설정하였다.
Hartree-Fock (HF) exchange와 Perdew, Burke, Ernzerhof (PBE)³⁴⁾가 정의한 generalized gradient approximation (GGA)이 혼합된 하이브리드 함수를 사용하였다. 전자의 바닥 상태는 residual minimization method of direct inversion in the iterative subspace (RMM-DIIS)로 고려하였다.^35,36) 사용된 Cutoff 에너지는 500 eV이고, Monkhorst-Pack grid 방법³⁷⁾을 이용한 2 × 2 × 2 k-points mesh를 사용하였다.

성능/효과

N₂ 분위기에서(Fig. 3(a)), Al 주변에 N의 개수가 3 개까지 증가하면서 N이 O 자리에 치환될 때(N_O)보다 VBE에서의 형성 에너지가 낮아지고, Al 주변에 4 개의 N가 위치하면서 N_O의 형성 에너지보다 증가하였다. NO 분위기에서(Fig.
^14-17) 이론적으로 I족 원자가 Zn 자리에 치환되면 shallow acceptor로 작용하지만, I족 원소의 반지름이 Zn 보다 작기 때문에, Zn 자리에 치환되지 않고 침입으로 존재하여 주로 donor로 작용한다.¹⁷⁾ V족 원소 중에서 O의 반지름과 가장 비슷한 N이 O 자리에 치환되는 것이 적합하지만, 이론적으로 O 자리 질소(anti-site nitrogen, N_O)는 deep acceptor level을 보여준다.^15,16) 또한, N은 ZnO에서 낮은 용해도(solubility)를 보인다.
3(b)), Al 주변의 N의 개수가 증가하면 VBE에서의 형성 에너지가 점점 감소하였다. 결과적으로, N₂ 분위기보다 NO 분위기에서 N이 Al 주변에 더 잘 형성되었다. 모든 조건에서, Al 주변에 N의 개수가 1 개부터 4 개까지 증가하면서 transition level ε(0/-1)이 VBE로부터 3.
모든 조건에서, Al 주변에 N의 개수가 1 개부터 4 개까지 증가하면서 transition level ε(0/-1)이 VBE로부터 3.13, 1.02, 0.74, 0.66 eV로 VBE에 점점 가까워졌다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산화 아연이란?	산화 아연(zinc oxide, ZnO)은 상온에서 3.37 eV의 넓은 밴드갭(band gap)과 60 meV의 큰 엑시톤 결합 에너지(exciton binding energy)를 갖는 II-VI족 화합물로서, 발광 다이오드(light emitting diode, LED)나 레이저 다이 오드(laser diode, LD)와 같은 광전자 소자(optoelectronic device)로 널리 연구되고 있다.1-3) 도핑되지 않은 ZnO의 n-type 특성은 제조 과정에서 생성되는 점 결함(native point defect)으로 설명하고 있으나 아직 정확한 이론은 없다.
	ZnO에서 N의 용해도를 증가시키기 위해 제시된 방법은?	ZnO에서 N의 용해도를 증가시키기 위하여, Zn 자리에 치환되어 donor로 작용하는 III족 원소를 N과 함께 첨가하는 방법이 소개되었다.19) III족 원소인 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In)은 N 주변에 위치하여 질화 알루미늄 (aluminum nitride, AlN), 질화 갈륨(gallium nitride, GaN), 질화 인듐(indium nitride, InN)을 이루어 N의 용해도를 증가시키며, 제조법으로 radio frequency (RF) magnetron sputtering, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), pulsed laser deposition (PLD), ultrasonic spray pyrolysis 등의 방법이 주로 사용되고 있다.
	ZnO 내부에서 N의 용해도를 증가시키기 위한 Al의 효과를 하이브리드 함수를 포함하는 DFT를 이용하여 수행한 결과는?	본 연구는 ZnO 내부에서 N의 용해도를 증가시키기 위한 Al의 효과를 하이브리드 함수를 포함하는 DFT를 이용하여 수행하였다. 계산된 ZnO의 밴드갭은 3.36 eV로 실험값과 잘 일치하였다. N2 분위기보다 NO 분위기에서 Al 주변에 N이 잘 형성되었다. ZnO 내부에서 Al은 N의 용해도 증가에 도움을 주지만, 여전히 깊은 acceptor level 에 의해 p-type 기구로는 작용하지 않는다.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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