La掺杂ZnO的电子结构和光学性质的第一性原理研究
发布时间：2021-07-31 04:18
ZnO作为一种新型的II-VI族直接禁带半导体材料,在常温常压下具有3.37eV的禁带宽度,60meV的高激子束缚能。凭借优良的物理性能以及化学性质,在透明导电膜、光催化剂、太阳能电池以及紫外半导体激光器等领域有着广泛的应用。稀土元素凭借独特的电子结构和丰富的分离能级,具有优异的电子、光学和催化性能。目前稀土元素掺杂ZnO在光催化领域已进行大量的实验及理论研究,结果表明稀土元素的掺杂可以使能带隙中产生杂质能级,通过调控ZnO的物理性能,扩大带隙的可见光响应,促使ZnO的发光特性发生改变,从而有效的增强ZnO半导体的光催化性能。因此,从理论上通过第一性原理的计算数据对La掺杂ZnO材料的电子结构和光学性质进行预测,并从中证实稀土元素La掺杂的可行性。本文利用Materials Studio 2017中CASTEP模块,采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法对不同La掺杂浓度以及La与本征缺陷复合共掺ZnO进行了计算研究。构建了（2×2×2）纯ZnO、La:ZnO（6.25%）、2La:ZnO（12.5%）、La:ZnO+VZn和La:ZnO+V...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
六方纤锌矿ZnO的晶体结构
中北大学学位论文223La掺杂ZnO的GGA计算3.1收敛性测试在对ZnO超晶胞结构进行优化之前，需要对ZnO原胞进行收敛性测试，以获取几何结构优化过程中两个重要设置参数，即截断能Ecut和K点。截断能（Ecut）通过控制平面波基组的大小，来平衡计算速度和准确性。K点则确定布里渊区域采样的准确性。3.1.1截断能选取截断能（Ecut）的选取：预先构建一个纯ZnO原胞，选取K=4×4×4的网格。以步长20eV为基础，逐渐增加截断能的取值并获取相应的总能量。查看总能量的变化，直到dEtot/dlnEcut<1×10-5eV/atom（设定的能量收敛标准）为止。总能量收敛曲线如图3-1所示，当截断能Ecut=380eV时曲线开始逐渐趋于平缓状态，考虑到实验结果的精准性及计算速度，本文的截断能取值420eV。图3-1总能量收敛图Figure3-1Totalenergyconvergencediagram
中北大学学位论文233.1.2K点选取K点网格的选取：选取3.1.1中测试好的固定截断能420eV，通过逐步改变K点网格的取值，即从粗糙逐渐到密集。以同样的收敛标准进行测试，相应的总能量收敛曲线如图3-2所示，当K=4×4×4时曲线开始逐渐趋于平缓状态，可以满足设定的收敛标准，因此本文的K点网格选取K=4×4×4。图3-2总能量收敛图Figure3-2Totalenergyconvergencediagram3.2理论模型为探究La掺杂浓度及本征缺陷对ZnO物理性能的影响，本文选取理想状态下的六方纤锌矿结构ZnO晶体，其具有C6v-4对称性，属于P63mc空间群[52]。ZnO晶体中的Zn原子和O原子分别形成两组相同的六方密堆积结构晶格，两组网格沿c轴偏移0.385c。晶格常数a=b=3.249，c=5.206，α=β=90°，γ=120°，其中c/a=1.602，小于理想六边形密堆积结构的1.633[53]，如图3-3（a）所示。考虑到掺杂对ZnO材料的影响，本文所有模型均使用基于原胞的相同尺寸（2×2×2）的超晶胞，其中纯ZnO超晶胞中共包含16个Zn原子和16个O原子，如图3-3（b）所示。利用元素替代法模拟La原子的晶体掺杂，利用Zn原子或O原子的缺失模拟锌空位或氧空位，则其余四种掺杂超晶胞模型分
本文编号：3312753
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
六方纤锌矿ZnO的晶体结构
中北大学学位论文223La掺杂ZnO的GGA计算3.1收敛性测试在对ZnO超晶胞结构进行优化之前，需要对ZnO原胞进行收敛性测试，以获取几何结构优化过程中两个重要设置参数，即截断能Ecut和K点。截断能（Ecut）通过控制平面波基组的大小，来平衡计算速度和准确性。K点则确定布里渊区域采样的准确性。3.1.1截断能选取截断能（Ecut）的选取：预先构建一个纯ZnO原胞，选取K=4×4×4的网格。以步长20eV为基础，逐渐增加截断能的取值并获取相应的总能量。查看总能量的变化，直到dEtot/dlnEcut<1×10-5eV/atom（设定的能量收敛标准）为止。总能量收敛曲线如图3-1所示，当截断能Ecut=380eV时曲线开始逐渐趋于平缓状态，考虑到实验结果的精准性及计算速度，本文的截断能取值420eV。图3-1总能量收敛图Figure3-1Totalenergyconvergencediagram
中北大学学位论文233.1.2K点选取K点网格的选取：选取3.1.1中测试好的固定截断能420eV，通过逐步改变K点网格的取值，即从粗糙逐渐到密集。以同样的收敛标准进行测试，相应的总能量收敛曲线如图3-2所示，当K=4×4×4时曲线开始逐渐趋于平缓状态，可以满足设定的收敛标准，因此本文的K点网格选取K=4×4×4。图3-2总能量收敛图Figure3-2Totalenergyconvergencediagram3.2理论模型为探究La掺杂浓度及本征缺陷对ZnO物理性能的影响，本文选取理想状态下的六方纤锌矿结构ZnO晶体，其具有C6v-4对称性，属于P63mc空间群[52]。ZnO晶体中的Zn原子和O原子分别形成两组相同的六方密堆积结构晶格，两组网格沿c轴偏移0.385c。晶格常数a=b=3.249，c=5.206，α=β=90°，γ=120°，其中c/a=1.602，小于理想六边形密堆积结构的1.633[53]，如图3-3（a）所示。考虑到掺杂对ZnO材料的影响，本文所有模型均使用基于原胞的相同尺寸（2×2×2）的超晶胞，其中纯ZnO超晶胞中共包含16个Zn原子和16个O原子，如图3-3（b）所示。利用元素替代法模拟La原子的晶体掺杂，利用Zn原子或O原子的缺失模拟锌空位或氧空位，则其余四种掺杂超晶胞模型分
本文编号：3312753
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