ZnO过渡金属掺杂及亚稳相的第一性原理研究

发布时间：2018-02-26 04:12

  本文关键词： ZnO 过渡金属掺杂 亚稳相 晶格动力学 声子谱 物理性质　出处：《大连理工大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：ZnO是第三代宽禁带半导体材料的代表,是目前半导体材料研究的热点之一。在ZnO研究中,过渡金属离子掺杂和亚稳相是两个比较重要的研究方向。根据Dietl等人的预测,过渡金属元素掺杂的ZnO有可能具有室温铁磁性,有可能成为发展自旋电子学相关器件的稀磁半导体材料,但相关的理论和实验研究一直存在较大的分歧。因此,从理论上探讨导致这一分歧的原因,对于发展ZnO基稀磁半导体材料具有一定的现实意义。另外,ZnO亚稳相有可能在一些特殊条件下形成,了解这些ZnO亚稳相的物理性质,对于发展新型ZnO基功能材料具有重要意义。本论文采用基于第一性原理计算的CASTEP软件包,在广义梯度近似(GGA)和局域密度近似(LDA)下,系统地研究了 ZnO过渡金属掺杂以及ZnO亚稳相的物理性质,主要研究结果如下:1.在基于第一性原理计算的理论研究中,人们已经发现U势修正对Co掺杂ZnO的铁磁(FM)和反铁磁(AFM)相的预测有较大影响,但并未深入探究导致这一现象的根本原因,因此,研究结论对确认ZnCoO合金是否具有室温铁磁性没有意义。本论文采用基于密度泛函理论的GGA方法,首先探讨了 U势修正对ZnCoO合金电子结构的影响,并与吸收光谱实验结果及Tanabe-Sugano的配位场理论结果进行了比较,发现U势修正可以使计算的带隙能随Co含量的变化与实验结果一致,但高度局域化的Co 3d电子态的能级仍与实验结果之间存在较大的差异。进一步分析发现,U势修正可以使Zn和Co的部分3d电子从价带中分离出来形成局域化子带,从而影响了 FM和AFM的形成能。U势修正前,FM是有利的,与Co含量无关;U势修正后,低Co含量的ZnCoO合金表现为AFM有利,而高Co含量时(≥25%),FM的ZnCoO合金有利,更接近大多数实验结论,从而说明U势修正在过渡金属掺杂ZnO合金的磁性研究中是必要的。同时,相关的磁性计算结果说明,ZnCoO合金中AFM和FM相之间的形成能可能非常接近,Co2+离子之间的相互作用增强及载流子导致的Ruderman-Kittle-Kasuya-Yosida作用增强均可能引起AFM向FM相的转变。在此基础上,通过与过渡金属(TM)氧化物的实验结果比较,进一步确定了 Fe、Ni、Mn、V、Ti、Cr等元素的U势,探讨了 U势修正对这些ZnTMO合金的电子结构及磁性的影响。研究结果表明,U势修正使这些ZnTMO合金的能带结构发生了与ZnCoO合金类似的改变,进而使ZnTMO合金有关磁性的结论从U势修正前的FM有利转变为AFM有利,但TM含量的增加,并不能引起AFM向FM转变,说明这些ZnTMO合金中,AFM和FM之间的能量差异较大,难以形成稀磁半导体,这一结论也与大多数实验结论吻合。2.α-BN型层状ZnO是为数不多的几种已经在实验上合成的ZnO亚稳相材料之一,但相关的实验结果十分有限,因此,目前对这种新型材料的物理性质知之甚少。本论文采用基于密度泛函理论的GGA方法,计算了α-BN型层状ZnO的电子结构、声子谱及各种物理性质,包括介电函数、红外反射谱及力学和热学性能,并通过与纤锌矿ZnO计算结果的比较对α-BN型层状ZnO的物理性质进行详细分析。电子结构分析表明,α-BN型层状ZnO属于间接带隙半导体,禁带宽度比纤锌矿ZnO略大。晶格动力学结果表明,α-BN型层状ZnO与纤锌矿ZnO有着相似的声子模,但声子色散关系在c轴方向上差异较大,从而使得α-BN型层状ZnO具有比纤锌矿ZnO更宽的红外反射带,几乎覆盖了 600cm-1以下的整个红外波段。此外,通过与实验结果比较,确认实验上观察到的拉曼峰属于α-BN型层状ZnO的E2ghigh声子模。力学性能计算表明,α-BN型层状ZnO属于是脆性材料,硬度是纤锌矿ZnO的3.6倍左右。此外,α-BN型层状ZnO与纤锌矿ZnO有着相似的热学性质。3.NiAs型和β-BeO型ZnO是近年来刚刚发现的两个新的ZnO亚稳相,尽管人们已经研究了这两种亚稳相ZnO的电子结构,但对其物理性质的研究报道不多。本论文分别采用GGA+U和LDA方法,计算了不同压强下NiAs型ZnO和β-BeO型ZnO的电子结构、声子谱及物理性质包括光学、力学和热学性质,并与纤锌矿ZnO进行了比较。研究结果表明,NiAs型ZnO的导带底位于Γ点,而价带相对平缓,表明NiAs型ZnO属于重空穴材料。NiAs型ZnO的刚度系数Cij随压强变大而增大。β-BeO型ZnO属于直接带隙半导体,介电常数约为2.1,比纤锌矿ZnO略小,其介电函数随着压强的增大而出现蓝移趋势。晶格动力学结果显示,NiAs型ZnO的光学模中只有E2g是拉曼活性的;其红外反射谱中的剩余辐射带宽约为250 cm-1,介于纤锌矿ZnO和α-BN型层状ZnO之间。此外,与α-BN型层状ZnO类似,β-BeO型ZnO可能在低温下也具有负的热膨胀系数。
[Abstract]:On the basis of the theory of density functional theory , it has been found that U - potential correction has great influence on the Fe ( FM ) and antiferromagnetic ( AFM ) phase of Co - doped ZnO . The electron structure , phonon spectrum and physical properties of 伪 - BN - type layered ZnO are studied . The results show that 伪 - BN - type layered ZnO is one of the few ZnO metastable phase materials which have been synthesized in experiments . In addition , the 尾 - Be - type ZnO may have a negative coefficient of thermal expansion at low temperatures .

【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN304.21

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本文编号：1536457