Role of self-trapping in luminescence andp-type conductivity of wide-band-gap oxides

极化子 发光 离域电子 材料科学 价(化学) 杂质 电导率 带隙 半金属 价带 凝聚态物理 物理 光电子学 量子力学 电子
作者
Joel B. Varley,Anderson Janotti,Cesare Franchini,Chris G. Van de Walle
出处
期刊:Physical Review B [American Physical Society]
卷期号:85 (8) 被引量:559
标识
DOI:10.1103/physrevb.85.081109
摘要

We investigate the behavior of holes in the valence band of a range of wide-band-gap oxides including ZnO, MgO, In2O3, Ga2O3, Al2O3, SnO2, SiO2, and TiO2. Based on hybrid functional calculations, we find that, due to the orbital composition of the valence band, holes tend to form localized small polarons with characteristic lattice distortions, even in the absence of defects or impurities. These self-trapped holes (STHs) are energetically more favorable than delocalized, free holes in the valence band in all materials but ZnO and SiO2. Based on calculated optical absorption and emission energies we show that STHs provide an explanation for the luminescence peaks that have been observed in many of these oxides. We demonstrate that polaron formation prohibits p-type conductivity in this class of materials.
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