N、Hf原子单掺和共掺ZnO的第一性原理计算
随着这些年光电信息技术和计算机的发展,ZnO作为继GaN之后的一种新型宽禁带直接跃迁型半导体氧化物材料,与其他光电子材料比拟,具有优良的压电、光电、稀磁特性,且无毒、成本低、抗辐射能力强、化学稳定性强,也正由于这些优点使得它在太阳能电池、压敏器件、热敏传感器、液晶显示器和紫外探测器等方面有较为普遍的研究,并具有很好的应用前景.基于此,本文采用基于密度泛函理论为基础的第一性原理平面波超软赝势方法,利用软件Materials Studio 6.0中的CASTEP模块对Hf、N元素掺杂改性后的ZnO材料进行了研究.主要的研究内容及结果如下:首先,计算分析了纯ZnO体系的晶格参数、电子结构、Mulliken电荷布居和光学性质.结果表明,纯ZnO体系是带隙宽度为0.733eV的直接跃迁型能带结构,其导带主要是由Zn 4s态、3p态贡献,少部分来源于O 2p态;费米能级附近主要由O 2p态贡献.光学性质方面,其静介电常数的值为6.02;介电函数虚部ε2主要有三个明显的峰,分别出现在1.27eV、6.53eV和10.16eV;光能量的吸收范围较大,主要在4.7~27.6 eV处,且在能量为17.18 eV处达到最大峰级3.09*105 cm-1;反射谱的主峰在15eV左右,静态折射率约为2.45,能量损失峰在19.6 eV附近.其次,计算分析了Hf掺杂ZnO形成的Zn1-xHfxO(x=3.12,4.17,6.25和12.5)体系的晶格参数、电子结构,Mulliken电荷布居和光学性质.与纯ZnO相比,随着Hf掺杂摩尔百分比的增大,晶体体积膨胀,费米能级进入导带,其附近的导带部分主要由杂质原子Hf 5d态贡献,Hf-O离子键成分作用凸显,故Hf掺杂引入施主能级使ZnO体系呈n型材料的可能性较大.且通过比较吸收谱、反射谱和折射谱,发现适量掺入Hf原子可使ZnO体系在高能区的透过率增加,能量损失谱出现红移.这些性质均与实验中Hf掺杂有类似结果,由此可知适量掺杂Hf的ZnO体系有望在制备光电子器件等领域发挥作用.再次,计算分析了N掺杂2*2*2 ZnO超胞形成Zn16O15N体系的晶格参数、电子结构和光学性质.计算结果表明,掺杂体系的晶胞体积膨胀,吸收谱、反射谱、能量损失谱的峰值均向低能方向移动,出现红移现象.且费米能级Ef向价带移动形成简并态,使得ZnO在价带顶附近出现了多余的载流子空穴,从而在费米能级附近形成受主能级,这有助于形成p型ZnO体系.最后,计算分析了Hf、N以不同掺杂比例掺杂ZnO(Zn16O16)形成Zn15O16-xHfNx(x=1,2,3,4)体系的结构参数、电子结构、Mulliken电荷布居和光学方面的性质.计算结果表明,掺杂体系晶胞体积不同程度增大;x=1时体系的费米能级上移进入导带使其呈现n型半导体特征,吸收峰和反射峰红移较小,尤其是反射峰,主要表现为强度的变化;但x=2,3,4体系的费米能级均在价带顶附近,且随掺杂比例的增大,掺杂体系的费米能级进入价带的深度逐渐增大,N 2p态的贡献作用也越来越显著,使掺杂体系呈现p型半导体特征,吸收峰和反射峰均有较大的红移,这将有利于ZnO体系在可见光领域的应用.
- 作者：
- 张文蕾
- 学位授予单位：
- 伊犁师范学院
- 专业名称：
- 凝聚态物理
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2016年
- 导师姓名：
- 曹庆琪；张丽丽
- 中图分类号：
- O469
- 关键词：
- 第一性原理；ZnO；Hf、N；电子结构；光学性质
- First-principles； ZnO； Hf、N； the electronic structure； optical properties