Y-W掺杂AgSnO 2 触头材料电性能理论研究
发布时间：2021-12-11 10:48
为提高AgSnO2材料的导电性,对SnO2材料进行掺杂研究。利用第一性原理,通过原子替代的方法,分别用Y、W元素单掺SnO2以及共掺的形式,将SnO2中的Sn元素以16.7%的比例进行原子替换,计算掺杂后SnO2的晶格参数、能带结构、态密度和电荷布局。结果表明:掺杂后的SnO2晶胞,体积增大。通过能带和态密度分析得出,单掺与共掺之后的材料导带底部和价带顶部均向费米能级靠近,共掺后Y的4d轨道使导带宽度变窄,Y的4d轨道和W的5d轨道同时作用,形成杂质能级,帮助电子跃迁,导电性增强。共掺后原子的成键方式改变,新生成Y—O键和W—O键。共掺后的材料比单掺更能增加SnO2的导电性,为之后AgSnO2触头材料的研究提供了理论依据。
【文章来源】：有色金属工程. 2020,10(09)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
晶胞模型：（a)SnO2晶胞模型；（b）单掺Y元素晶胞模型；（c）共掺Y-W元素晶胞模型
本征SnO2与掺杂后的SnO2能带结构如图2所示。根据图2(a）可以分析出本征掺杂后的SnO2的带隙为1.049eV。导带部分为5～10eV，主要由Sn原子的5s与5p态作用形成峰值；价带部分为-10～0eV，主要由Sn原子5s、5p态以及O原子2p态作用形成峰值；价带部分为-20～-15eV，主要由Sn原子5s、5p态以及O原子2s态作用形成峰值。价带顶端与倒带底端都在G点，即本征SnO2为直接带隙半导体材料。Sn掺杂元素Y后，如图2(b）所示，能级数量明显增多，带隙减少，由此可以看出元素Y可以较好地调节SnO2带隙值[19]。掺杂元素W后，带隙值降低为0.423eV，带隙值的降低有利于电子的跃迁。掺杂元素Y、W后，价带与导带更加紧密，并且导带整体向下移动。共掺元素Y、W后，相对于图2中其他3个图，（d）图的导带下移部分更多，导带与价带更靠近费米能级。理论上，带隙值降低为0.214eV，相对于单掺载流子从价带跃迁到导带需要的能量减少，从而共掺Y、W元素后的材料导电性提高。2.3 态密度分析
图3为本征SnO2以及单掺元素Y、元素W和共掺元素Y、W的SnO2总态密度和分态密度。根据图3(a）可知，价带-22～-15eV的总态密度主要由O的2s轨道及Sn的5s、5p轨道贡献能量，由于处在较远能量范围，因此对费米能级影响较小；价带-10～0eV的总态密度主要由O的2p轨道贡献能量，有少部分Sn的5s、5p轨道贡献能量；在导带部分4.28～18.09eV之间的总态密度主要由Sn的5s与5p轨道贡献能量，O的2s与2p轨道贡献少量能量。当元素Y单掺杂时（图3b），总态密度整体向高能级方向移动。远离费米能级的价带-20～-15eV影响忽略不计，价带-8.66～0.57eV的总态密度主要由Sn的5s与5p轨道提供，其中O的2p轨道在-2.5～0.57eV贡献能量出现波峰。通过费米能级附近的能量变化判断，导带向费米能级靠近，离域性减弱。导带部分在2.5～8eV处，出现波峰，是因为Y的4d轨道作用提供大量能量，同时Sn的5s、5p轨道提供少量能量。当元素W掺杂时（图3c），与掺杂元素Y相比，能带范围变大，但由于价带部分-80～-40eV对导电性能影响不大，忽略不考虑。导带部分向费米能级移动程度更多，主要是由于元素W的5d轨道贡献，禁带宽度变窄。当元素Y与W共掺时（图3d），导带由于W的5d轨道与Y的4d轨道同时贡献，使禁带宽度比单掺元素Y与W更窄，同时轨道杂化，生成新的杂质能级，增加原子间相互作用，局域性相比最弱，使掺杂后的材料导电性增强，与能带分析结果相同。2.4 电荷布局分析
本文编号：3534539
【文章来源】：有色金属工程. 2020,10(09)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
晶胞模型：（a)SnO2晶胞模型；（b）单掺Y元素晶胞模型；（c）共掺Y-W元素晶胞模型
本征SnO2与掺杂后的SnO2能带结构如图2所示。根据图2(a）可以分析出本征掺杂后的SnO2的带隙为1.049eV。导带部分为5～10eV，主要由Sn原子的5s与5p态作用形成峰值；价带部分为-10～0eV，主要由Sn原子5s、5p态以及O原子2p态作用形成峰值；价带部分为-20～-15eV，主要由Sn原子5s、5p态以及O原子2s态作用形成峰值。价带顶端与倒带底端都在G点，即本征SnO2为直接带隙半导体材料。Sn掺杂元素Y后，如图2(b）所示，能级数量明显增多，带隙减少，由此可以看出元素Y可以较好地调节SnO2带隙值[19]。掺杂元素W后，带隙值降低为0.423eV，带隙值的降低有利于电子的跃迁。掺杂元素Y、W后，价带与导带更加紧密，并且导带整体向下移动。共掺元素Y、W后，相对于图2中其他3个图，（d）图的导带下移部分更多，导带与价带更靠近费米能级。理论上，带隙值降低为0.214eV，相对于单掺载流子从价带跃迁到导带需要的能量减少，从而共掺Y、W元素后的材料导电性提高。2.3 态密度分析
图3为本征SnO2以及单掺元素Y、元素W和共掺元素Y、W的SnO2总态密度和分态密度。根据图3(a）可知，价带-22～-15eV的总态密度主要由O的2s轨道及Sn的5s、5p轨道贡献能量，由于处在较远能量范围，因此对费米能级影响较小；价带-10～0eV的总态密度主要由O的2p轨道贡献能量，有少部分Sn的5s、5p轨道贡献能量；在导带部分4.28～18.09eV之间的总态密度主要由Sn的5s与5p轨道贡献能量，O的2s与2p轨道贡献少量能量。当元素Y单掺杂时（图3b），总态密度整体向高能级方向移动。远离费米能级的价带-20～-15eV影响忽略不计，价带-8.66～0.57eV的总态密度主要由Sn的5s与5p轨道提供，其中O的2p轨道在-2.5～0.57eV贡献能量出现波峰。通过费米能级附近的能量变化判断，导带向费米能级靠近，离域性减弱。导带部分在2.5～8eV处，出现波峰，是因为Y的4d轨道作用提供大量能量，同时Sn的5s、5p轨道提供少量能量。当元素W掺杂时（图3c），与掺杂元素Y相比，能带范围变大，但由于价带部分-80～-40eV对导电性能影响不大，忽略不考虑。导带部分向费米能级移动程度更多，主要是由于元素W的5d轨道贡献，禁带宽度变窄。当元素Y与W共掺时（图3d），导带由于W的5d轨道与Y的4d轨道同时贡献，使禁带宽度比单掺元素Y与W更窄，同时轨道杂化，生成新的杂质能级，增加原子间相互作用，局域性相比最弱，使掺杂后的材料导电性增强，与能带分析结果相同。2.4 电荷布局分析
本文编号：3534539
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3534539.html
