Intrinsic Point Defects in Zinc Oxide: Modeling of Structural, Electronic, Thermodynamic and Kinetic Properties

The present dissertation deals with the modeling of zinc oxide on the atomic scale employing both quantum mechanical as well as atomistic methods. The first part describes quantum mechanical calculations based on density functional theory of intrinsic point defects in ZnO. To begin with, the geometric and electronic structure of vacancies and oxygen interstitials is explored. In equilibrium oxygen interstitials are found to adopt dumbbell and split interstitial configurations in positive and negative charge states, respectively. Semi-empirical self-interaction corrections allow to improve the agreement between the experimental and the calculated band structure significantly; errors due to the limited size of the supercells can be corrected by employing finite-size scaling. The effect of both band structure corrections and finite-size scaling on defect formation enthalpies and transition levels is explored. Finally, transition paths and barriers for the migration of zinc as well as oxygen vacancies and interstitials are determined. The results allow to interpret diffusion experiments and provide a consistent basis for developing models for device simulation. In the second part an interatomic potential for zinc oxide is derived. To this end, the Pontifix computer code is developed which allows to fit analytic bond-order potentials. The code is subsequently employed to obtain interatomic potentials for Zn-O, Zn-Zn, and O-O interactions. To demonstrate the applicability of the potentials, simulations on defect production by ion irradiation are carried out.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Modellierung von Zinkoxid auf der atomaren Skala unter Verwendung quantenmechanischer und atomistischer Methoden. Der erste Teil beschreibt quantenmechanische Rechnungen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie von intrinsischen Punktdefekten in Zinkoxid. Zunächst wird die geometrische und elektronische Struktur von Vakanzen und Sauerstoffzwischengitteratomen untersucht. Im thermodynamischen Gleichgewicht nehmen Sauerstoffzwischengitteratome in positiven Ladungszuständen hantelförmige Konfigurationen ("dumbbells") an; in negativen Ladungszuständen wird hingegen eine "split-interstitial" Konfiguration bevorzugt. Semiempirische Selbstwechselwirkungskorrekturen erlauben eine wesentliche Verbesserung der Qualität der berechneten Bandstruktur im Vergleich zum Experiment. Fehler aufgrund der Beschränkungen der Zellgröße lassen sich mit Hilfe von "finite-size"-Skalierung korrigieren. Daraufhin wird der Einfluß sowohl der Bandstruktur als auch der "finite-size"-Effekte auf die Defektbildungsenthalpien und Übergangsniveaus untersucht. Schließlich werden die Pfade und die Barrieren für die Migration von Zink- und Sauerstoffvakanzen und -zwischengitteratomen bestimmt. Die Resultate ermöglichen die (Neu-)Interpretation von Diffusionsexperimenten und liefern die Basis für die Entwicklung von Modellen für die Bauteilsimulation. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein interatomares Potential für Zinkoxid entwickelt. Zunächst wird der Computercode Pontifix eingeführt, der die Anpassung analytischer Bindungsordnungspotentiale ("bond-order"-Potentiale) ermöglicht. Anschließend wird dieser Code verwendet, um interatomare Potentiale für die Zn-O, Zn-Zn und O-O Wechselwirkungen abzuleiten. Um die Anwendbarkeit der Potentiale zu demonstrieren, werden Simulationen zur Defekterzeugung durch Ionenbestrahlung durchgeführt.