ZnS掺杂的第一性原理研究

发布时间：2018-10-30 21:06

【摘要】：ZnS是Ⅱ-Ⅵ族化合物中重要的直接带隙半导体材料,禁带宽度为3.68eV,有α-ZnS纤锌矿和β-ZnS闪锌矿两种相结构。由于其具有良好的热红外透明性、荧光效应和电致发光等特性,在光电子器件的制备和光催化领域方面得到广泛的应用。但是纯净ZnS材料自身存在的一些局限性无法满足某些特定的实际需要,因而应用基于密度泛函理论的第一性原理方法对ZnS进行适当掺杂,进一步改善ZnS的晶格结构、电学性质、光学性质,真正意义上的适应各种实际需要。本论文主要包括以下七部分内容:第一章,主要介绍ZnS的结构和基本性质以及研究现状和意义;第二章,主要介绍文章中研究ZnS掺杂所用到的理论基础和计算工具;第三章,详细地研究了一种元素单掺、多种元素共掺对ZnS的晶格结构、电子结构、光学性质的影响。第四章,主要研究了过渡金属掺杂对ZnS的影响。第五章,主要研究了ZnS纳米管及其掺杂的晶格结构、电子结构、光学性质。第六章,分析了不同晶相下ZnS表面结构的晶格结构、电子结构、光学性质。通过研究发现:1.(1)Ag掺杂主要集中在Ag 4d态对上价带态有贡献,并在邻近能量零点处出现一个波峰;N掺杂实现了P型掺杂的ZnS,使ZnS的光学性质有了极大的改善。(2)Na掺杂实现了P型掺杂的ZnS;光学方面,Na掺杂ZnS和Cl、Na共掺杂ZnS的光吸收边发生红移,而Cl掺杂时发生明显的蓝移。(3)Ga单掺杂和Ga、O共掺使得能量零点进入导带底,说明Ga的引入使得Zn S的导电类型为N型。2.过渡金属TM(Sc、Mn、Mo)掺杂均在费米能级附近形成了多条杂质能级,TM掺杂使得费米能级进入导带,从而形成简并半导体呈半金属性;Mn、Mo掺杂后的吸收曲线出现红移现象,而Sc掺杂出现蓝移现象。3.Cl原子的3p态打破了ZnS纳米管价带顶原有的p-d轨道杂化,同时Cl原子3p态要比被替换的S原子少一个相对应的电子,因此掺Cl可以在纳米管的价带顶附近引入多余的载流子-空穴,从而实现纳米管的P型掺杂。Mn掺杂在费米能级附近形成了多条杂质能级,这可能是由于Mn掺杂导致能带内产生新的施主能级。4.ZnS(110)表面结构的禁带宽度最大,适合做宽禁带表面结构的器件;ZnS(100)禁带宽度最小,且导带底有更加密集的能级,故其导电性最强;三种晶相的ZnS表面结构均对大约在100-300nm的紫外线有较好的吸收能力,其中ZnS(100)表面吸收范围最广,而ZnS(111)表面吸收强度最大。
[Abstract]:ZnS is an important direct band-gap semiconductor material in 鈪，

本文编号：2301185