单层ZnO的光学和吸附性能研究
发布时间：2020-11-05 12:32
自石墨烯被发现后,二维材料进入人们的视线。随着对二维材料的研究,相比于三维材料,二维材料的结构差异使其具有很多独特的优异性能,继而被广泛关注。目前,随着透明导电薄膜的发展,拥有高的可见光透射率和导电性是十分重要的。由于尺寸效应,新型的单层ZnO拥有更加独特的性能,包含透射率增加,光学带隙增大等。通过掺杂和吸附可以改变单层ZnO的结构和性能,调节材料的导电性,使得单层ZnO具有很大的前景被应用于透明电极材料和传感器。本文采用密度泛函方法(DFT)对单层ZnO和掺杂金属元素(Al、Ga和In)的单层ZnO进行第一性原理研究。通过对掺杂后体系的结构,电学性能,光学性能和吸附性能进行优化计算,进一步探索金属元素掺杂后结构和性能的影响,并从电子层次上揭示掺杂作用的微观机理。掺杂Al的单层ZnO的带隙大于本征单层ZnO的带隙,光学透光率增大,导电性增强。同时,与掺杂Al的ZnO体结构进行对比后发现,Al掺杂单层ZnO材料的透光性增强,并具有很高的导电性。这些特征使得掺杂Al的ZnO单层材料可作为一种更具有前景的透明导电薄膜,应用于光电器件。在此基础上,对同一主族的金属元素(Al,Ga和In)掺杂单层ZnO进行对比。通过分析后发现,当Al、Ga和In的掺杂浓度低于12.5 at.%时,在可见光区域和紫外区域的平均透射率能达到99%。同时,掺杂后单层ZnO的导电性增强。特别地,在相同的条件下,低浓度的In掺杂单层ZnO具有更高导电性,在透明电极领域具有潜在应用。此外,对单层ZnO的吸附性能进行研究。二维材料由于具有特殊的结构特性,能够作为很好的气体传感器。研究表明CO分子能够吸附在Al、Ga和In掺杂的单层ZnO表面。Al、Ga和In掺杂的单层ZnO在CO吸附后,带隙变小,引入杂质能级,增强单层ZnO和吸附气体之间的相互作用,并在导带底附近产生浅施主态,载流子浓度增加,光学性能发生改变。
【学位单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ132.41
【部分图文】：
通过利用胶带剥离石墨。该研究组成功制备出第一种二维材料，具有单层原子厚度的石墨烯结构，如图1-1 (a) 所示。它具有由C原子通过sp2杂化形成的蜂窝状结构——六角的平面展开，每一个角上存在一个碳原子，所有碳原子处于同一平面内，这一独特的电子结构，使得其具有优异的力学、光学和热学性能[2-4]。(a) (b)图 1-1 石墨烯的 (a) 结构图和 (b) 能带图Fig. 1-1 (a) The structure and (b) the band gap of graphene石墨烯具有很多优异特性，使其具有广泛的应用价值。与此同时，石墨烯的几何结构同时也决定了具有狄拉克点结构的零带隙的电子结构。如图 1-1(b),价带和导带相交于布里渊区 K 点处，使其带隙为零[5]。这一特性限制石墨烯在光电半导体器件方面、逻辑电路方面和电子器件等方面的应用，所以人们尝试掺杂、施加外电场等方式实现对能带的调节[6-8]。但采用这些技术在增加工艺的同时，也只能在一定程度内提高禁带宽度，离实际应用存在一定的距离。另一方面，在电子结构变化的过程中，影响其性能，引入新的问题，比如降低载流子的迁移率[9]。因此
对于GaN 等半导体材料成本更低，且容易生长。在通常情况下，为六角纤锌矿结构。ZnO 结构中每个 Zn 原子周围存在4个 O 原子，同样在每个 O 原子附近存在4个 Zn 原子，如图1-2。这种纤锌矿结构为稳定相结构，也是应用最为广泛的一种结构，本文将在纤锌矿 ZnO 的基础上进行探究。ZnO 在常温下具有宽带隙 (3.37 eV)、高激子束缚能 (60 meV) 和较大的压电特性[10,11]。这些特性使得其很好的适用于发光二极管、透明电极、紫外探测器、太阳能电池和压电器件等[12-14]应用中。因此, ZnO 成为光电领域内研究的热点。图 1-2 纤锌矿 ZnO 的结构图Fig. 1-2 The structure of wurtzite ZnO近几年来，Al 掺杂 ZnO (AZO) 由于 Zn 和 Al 的含量丰富，在可见光传输特性好，被认为是太阳能电池和平板显示器等光电器件中透明电极材料的最佳候选材料之一[15,16]。ZnO 材料的导电性低，使其不易用于光电池领域。为此，人们采用不同方式提高 ZnO 材料的光电性能[17]。其中，掺杂是一种很有效的转变 ZnO 材料的物性和提高光电性能的手段。Ng[18]研究组利用溶胶-凝胶技术发现 Ga 和 Al 掺杂 ZnO 在 370-800 nm 的波长范围内透射率约为 90 %
在对材料进行掺杂前，首先对体结构 ZnO 材料的结构进行了解。体结构ZnO 结构是纤锌矿结构。在本文里，采用 2×2×2 的超晶胞结构，通过优化后，如下图3-1所示。整个计算过程采用的Materials studio 软件中的CASTEP模块。采用广义梯度近似（GGA）交换相关势能函数 (PBE) 赝势对交换关联能进行近似。在整个计算过程中，相同的体系采用相同的计算精度，以及相同的参数设置。对于体结构 ZnO 来说，在布里渊区中使用 Monkorst-Pack 4×4×2 的 k网格点[53]。平面波截断能为 400 eV, 晶体的内应力不大于 0.1Gpa，能量和力的收敛精度分别为 10-6eV 和 0.02 eV/ 。本征的体结构 ZnO 的 Zn-O 键长为 2.01 。晶格常数分别为：a=3.313 ，c=5.329 ，与实验值数据很相近 (a=3.249 ，c=5.206 )[54], 并与其他理论研究相符[55]。
【参考文献】
本文编号：2871643
【学位单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ132.41
【部分图文】：
通过利用胶带剥离石墨。该研究组成功制备出第一种二维材料，具有单层原子厚度的石墨烯结构，如图1-1 (a) 所示。它具有由C原子通过sp2杂化形成的蜂窝状结构——六角的平面展开，每一个角上存在一个碳原子，所有碳原子处于同一平面内，这一独特的电子结构，使得其具有优异的力学、光学和热学性能[2-4]。(a) (b)图 1-1 石墨烯的 (a) 结构图和 (b) 能带图Fig. 1-1 (a) The structure and (b) the band gap of graphene石墨烯具有很多优异特性，使其具有广泛的应用价值。与此同时，石墨烯的几何结构同时也决定了具有狄拉克点结构的零带隙的电子结构。如图 1-1(b),价带和导带相交于布里渊区 K 点处，使其带隙为零[5]。这一特性限制石墨烯在光电半导体器件方面、逻辑电路方面和电子器件等方面的应用，所以人们尝试掺杂、施加外电场等方式实现对能带的调节[6-8]。但采用这些技术在增加工艺的同时，也只能在一定程度内提高禁带宽度，离实际应用存在一定的距离。另一方面，在电子结构变化的过程中，影响其性能，引入新的问题，比如降低载流子的迁移率[9]。因此
对于GaN 等半导体材料成本更低，且容易生长。在通常情况下，为六角纤锌矿结构。ZnO 结构中每个 Zn 原子周围存在4个 O 原子，同样在每个 O 原子附近存在4个 Zn 原子，如图1-2。这种纤锌矿结构为稳定相结构，也是应用最为广泛的一种结构，本文将在纤锌矿 ZnO 的基础上进行探究。ZnO 在常温下具有宽带隙 (3.37 eV)、高激子束缚能 (60 meV) 和较大的压电特性[10,11]。这些特性使得其很好的适用于发光二极管、透明电极、紫外探测器、太阳能电池和压电器件等[12-14]应用中。因此, ZnO 成为光电领域内研究的热点。图 1-2 纤锌矿 ZnO 的结构图Fig. 1-2 The structure of wurtzite ZnO近几年来，Al 掺杂 ZnO (AZO) 由于 Zn 和 Al 的含量丰富，在可见光传输特性好，被认为是太阳能电池和平板显示器等光电器件中透明电极材料的最佳候选材料之一[15,16]。ZnO 材料的导电性低，使其不易用于光电池领域。为此，人们采用不同方式提高 ZnO 材料的光电性能[17]。其中，掺杂是一种很有效的转变 ZnO 材料的物性和提高光电性能的手段。Ng[18]研究组利用溶胶-凝胶技术发现 Ga 和 Al 掺杂 ZnO 在 370-800 nm 的波长范围内透射率约为 90 %
在对材料进行掺杂前，首先对体结构 ZnO 材料的结构进行了解。体结构ZnO 结构是纤锌矿结构。在本文里，采用 2×2×2 的超晶胞结构，通过优化后，如下图3-1所示。整个计算过程采用的Materials studio 软件中的CASTEP模块。采用广义梯度近似（GGA）交换相关势能函数 (PBE) 赝势对交换关联能进行近似。在整个计算过程中，相同的体系采用相同的计算精度，以及相同的参数设置。对于体结构 ZnO 来说，在布里渊区中使用 Monkorst-Pack 4×4×2 的 k网格点[53]。平面波截断能为 400 eV, 晶体的内应力不大于 0.1Gpa，能量和力的收敛精度分别为 10-6eV 和 0.02 eV/ 。本征的体结构 ZnO 的 Zn-O 键长为 2.01 。晶格常数分别为：a=3.313 ，c=5.329 ，与实验值数据很相近 (a=3.249 ，c=5.206 )[54], 并与其他理论研究相符[55]。
【参考文献】
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1 汪志刚;曾祥明;张杨;黄娆;文玉华;;应变调控单层氧化锌能带结构的第一性原理研究[J];物理化学学报;2015年09期
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5 张富春;张志勇;张威虎;阎军峰;贠江妮;;AZO(ZnO:Al)电子结构与光学性质的第一性原理计算[J];光学学报;2009年04期
本文编号：2871643
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