掺杂ZnO电子结构与光学性质的第一性原理研究

发布时间：2020-05-09 01:40

【摘要】：纤锌矿结构的ZnO是一种新型的II-VI族氧化物半导体材料,禁带宽度为3.37 eV,具有高达60 meV的激子束缚能,低介电常数,环保价廉,良好的光电性能和压电特性,因此ZnO广泛应用于光电器件方面,具有潜在的研究价值。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法,研究了本征ZnO体系,Mg、Cd单掺杂与共掺杂ZnO体系,Mg和不同浓度的Cd共掺杂ZnO体系,Cu、Cd单掺杂与共掺杂ZnO体系,从理论角度讨论和分析了各体系的晶胞参数,电子结构(包括能带结构、态密度)和光学性质(包括介电函数、光吸收谱、反射率和能量损失谱)。研究结果如下:1、Cd单掺杂ZnO会使晶胞体积变大,Mg单掺杂ZnO对体系的体积变化影响小,Mg/Cd共掺杂ZnO中,因Mg原子的掺杂存在,体系的结构稳定性会更好;除此之外,Mg掺杂会使ZnO材料在可见光区域高能区域的光透性能更好,拓宽了ZnO材料的光谱;Cd掺杂会使ZnO体系的禁带宽度减小,体系吸收带边发生明显的红移,在可见光区与高能区波段光的吸收能力和光的反射作用均下降;研究还发现:Mg和Cd共掺杂ZnO后,材料的透光率均比Mg、Cd单掺ZnO时材料的透光率高。2、Mg和不同浓度的Cd共掺杂ZnO后,体系的体积随Cd的掺杂浓度越来越大,但体系稳定性很好,带隙值越来越小,说明控制Mg和Cd的掺杂浓度可以很好地调节ZnO材料的带隙值范围,这对工业方面研究可控性能材料方面具有很好的参考意义;研究还发现:Mg和不同浓度的Cd共掺杂ZnO,体系的吸收边明显出现红移,在高能区波段光的吸收和反射作用减弱,而且随Cd浓度的增加,体系在高能区波段光的吸收作用和反射率下降更明显,结合能量守恒定律,说明材料的光透效果增强,这在透明材料太阳能电池以及紫外激光器件方面有很好的应用前景。3、Cu、Cd单掺杂均提高了ZnO的载流子浓度,改善了ZnO的导电性,掺杂体系的带隙值也均减小;但与Cu、Cd单掺杂相比,Cu和Cd共掺杂ZnO时,体系晶胞结构更加稳定,带隙值更小,材料的导电性能更好。光学性质方面:Cd掺杂时,体系的吸收边发生红移,吸收系数减小;Cu单掺杂ZnO,体系在可见光和紫外波段吸收系数略微增大。但是当Cu和Cd共掺杂ZnO,体系对光吸收和反射作用下降,而且当Cd的掺杂浓度增大时,体系的禁带宽度越来越小,对光的吸收和反射作用下降更明显;结合Cu和Cd单掺杂的特性,说明当Cu和Cd共掺杂ZnO时,控制掺杂Cd的浓度,ZnO材料会呈现出不同效果的透光性能。因此控制Cu/Cd的比率来掺杂ZnO可用于制作不同效率的光透性材料。
【图文】：

三种常见的ZnO晶体结构：（a）六方纤锌矿结构；（b）六方闪锌矿结构；（c）四方岩盐矿结构

本征ZnO（2x2x2）的晶胞结构图
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O472

【参考文献】

相关期刊论文 前7条

1 熊金龙;杨晓红;;第一性原理研究Cd掺杂对ZnO电子结构与光学性质的影响[J];人工晶体学报;2015年11期

2 闻军;朱柱;;“半导体器件原理”课程教学中固体能带理论的应用[J];科教文汇(下旬刊);2015年03期

3 何静芳;郑树凯;周鹏力;史茹倩;闫小兵;;Cu-Co共掺杂ZnO光电性质的第一性原理计算[J];物理学报;2014年04期

4 苏蓓蓓;桂青凤;崔磊;杜亮;潘靖;;Cr-N共掺ZnO体系的电子结构及其光学性质[J];扬州大学学报(自然科学版);2013年03期

5 桂青凤;崔磊;潘靖;胡经国;;V-N共掺纤锌矿ZnO光催化性质的第一性原理研究[J];物理学报;2013年08期

6 张风芳;;能带理论(Energy band theory)的概念[J];中国科教创新导刊;2010年24期

7 唐鑫;吕海峰;马春雨;赵纪军;张庆瑜;;Cd掺杂纤锌矿ZnO电子结构的第一性原理研究[J];物理学报;2008年02期

，

本文编号：2655381