（通讯员 许云丽）近日，国际知名材料领域学术期刊Applied Materials Today《今日应用材料》（IF：7.2）在线发表了我校湖北省弱磁探测工程技术研究中心团队完成的研究成果，题为“Shallowing the p-type defects in LiGaO₂ by valence band engineering via lower electronegativity alloying”，详见：https://doi.org/10.1016/j.apmt.2024.102572。

研究背景

透明导电材料凭借其同时具有极佳的可见光透明度和导电特性，在现代光电子器件（包括触摸屏、发光二极管和太阳能电池）中有着不可或缺的地位。尽管透明n型导电氧化物已取得显著进展并得到商业化的应用，但是导电性能优异的透明p型导电氧化物依然非常缺乏，致使透明导电材料仅应用于无源光电子器件，透明p型导电材料的开发依然面临重大挑战。

成果介绍

本文提出了基于创新性的价带工程方案以解决这一难题，即通过与电负性较低的阴离子合金化来调节宽禁带氧化物的价带，并以LiGaO₂为例证明这一策略的有效性。利用优化后的混合杂化泛函研究了LiGa(O_1-xS_x)₂性质，结果表明硫合金化可以显著调节原材料的价带，在LiGa(O_1-xS_x)₂合金中，S-3p轨道可以在宿主材料的价带最大值上方产生新的价态，极大地提高了价带的边缘位置，从而使p型深缺陷能级变浅。尽管合金化后的禁带宽度有所减小，但仍能维持足够宽度，确保了材料在太阳光谱范围内保持优异的光学透射率。这些发现揭示了LiGa(O_1-xS_x)₂合金中潜在的 p 型掺杂。希望该方案能推广到其他氧化物中，为解决在宽禁带氧化物半导体中有效p型掺杂的难题开辟新的途径。

图文导读

图一、展示了该策略浅化深能级缺陷的原理示意。此图分别展示了(a)低电负性合金化和(b)高电负性合金化的情况。

图二、展示了LiGa(O_1-xS_x)₂合金的电学性质。(a) LiGa(O_1-xS_x)₂合金的能带排列，其中各组分合金的分支点能量被标定为零能级处。(b)分别展示了各组分合金的反折叠能带，其中黄色部分为硫元素在能带结构中的分布，设置合金的费米能级为零能级。(c) LiGaO₂和LiGa(O_1-xS_x)₂合金的分态密度示意图如下。

图三、展示了LiGa(O_1-xS_x)₂合金的缺陷性质。其中各合金组分的能带边缘位置已对齐，展示了合金中不同缺陷的转移能级，清晰地看到Cd_Ga缺陷的转移能级的变浅。

图四、展示了LiGa(O_1-xS_x)₂合金中缺陷能级变浅的物理机理。在稀释LiGa(O_0.875S_0.125)₂合金中的Cd_Ga缺陷位点的最近邻环境如图(b)所示，同LiGaO₂的一致。这导致该缺陷转移能级相较于O-2p轨道仍为深能级缺陷，但合金的价带顶由能量更高的S-3p轨道构成，这导致了Cd_Ga缺陷转移能级的变浅，如(a)所示。

图五、展示了LiGa(O_0.875S_0.125)₂合金的光学性质。(a)LiGa(O_0.875S_0.125)₂合金的介电函数实部ε₁和虚部ε₂的几何平均。合金的反射率R(ω)和吸收系数α(ω)绘制在图(b)中。LiGa(O_0.875S_0.125)₂合金的吸收率和透射率随光子能量和合金厚度的变化分别如图(c)和(d)所示。

研究结论

在这项工作中，利用优化的杂化泛函方法，系统地研究了的LiGa(O_1-xS_x)₂合金的电子结构、掺杂和光学特性。随着原材料的硫合金化，合金的电子结构将得到调节，价带顶位置升高，从而为有效p型掺杂的产生创造了有利条件。与 LiGaO₂中潜在p型缺陷X_Ga(X=Cd、Zn、Mg和Ca)表现出的深能级不同，这些缺陷在LiGa(O_0.875S_0.125)₂合金中的转变能级在一定程度上变浅了。具体来说，在LiGa(O_0.875S_0.125)₂合金中，Cd_Ga缺陷是一种浅受体掺杂，其转变能为0.249 eV。此外，该合金在整个太阳光谱范围内仍然表现出较低的反射率和吸收率以及较高的透明度。这些发现表明，在LiGa(O_1-xS_x)₂合金中掺杂镉是获得p型透明导电氧化物的一种很有前景的方案，这为未来探索其他p型透明导电氧化物提供了新的思路。

该文由我校湖北省弱磁探测工程技术研究中心独立完成，我校数理学院硕士研究生康思新为文章第一作者，三峡大学樊帅伟副教授为通讯作者，以及本中心团队杨柳和胡功伟博士亦参与了相关研究工作。此外，本项工作得到了国家级及省部级基金项目的支持。