锑在氮化镓中的选择性掺入

将低浓度的锑 掺入 GaN 会引起强烈的带隙弯曲，以及从紫外到绿光光谱区域的可调室温光致发光。然而，Sb 掺入 GaN 主体晶格的原子级细节仍不清楚。在这项工作中，我们使用第一性原理计算来理解 Sb 取代进入 GaN 的热力学及其对光学和 Raman 光谱的影响。尽管经验上认为 Sb 优先作为阴离子 ($\mathrm{Sb^{3-}}$) 掺入 N 子晶格，但我们证明 Sb 也可以作为阳离子 ($\mathrm{Sb^{3+}}$、$\mathrm{Sb^{5+}}$) 掺入金属子晶格。我们的热力学分析表明，在富 Ga 条件下的 n 型样品中，$\mathrm{Sb_N^0}$、$\mathrm{Sb_{Ga}^{2+}}$ 和 $\mathrm{Sb_{Ga}^0}$ 可以共存。我们进一步通过计算不同阴离子和阳离子取代的振动频率来确认 Sb 的双重掺入，以解释实验观察到的 Sb 掺杂 GaN 额外 Raman 峰的起源。此外，计算得到的不同 Sb 取代进入 GaN 的能带结构解释了实验光致发光和光吸收光谱。总体而言，我们的分析表明，$\mathrm{Sb^{3-}}$、$\mathrm{Sb^{3+}}$ 和 $\mathrm{Sb^{5+}}$ 取代进入 GaN 的共存解释了全部的实验测量结果。我们的结果表明，通过调节生长条件将 Sb（以及潜在的其他 V 族元素如 As、P 或 Bi）选择性掺入 GaN，可以极大地改变其电子性质，用于可见光发射器和光催化应用。