Co-Bi共掺杂ZnO的第一性原理研究

发布时间：2020-05-28 15:08

【摘要】：本征ZnO是直接带隙半导体材料,具有较宽的禁带宽度、较高的自由激子束缚能、良好的透光性能以及较高的机电耦合系数和良好的导电性能等,在光学催化领域、透明导电薄膜、生物医学以及光电子学等领域表现出良好的应用前景。但是,本征ZnO对可见光的利用率很低,只能利用到达地球表面的微量的紫外光,从而限制了它在光电子学领域的高效应用。近几十年来,科学家采用多种方法对杂质原子掺杂ZnO进行了大量的研究。研究发现,Co原子掺杂和Bi原子掺杂在一定程度上能够改善本征ZnO的电子结构、电磁性能和光学性能。但是,到目前为止,Co-Bi共掺杂对ZnO电子结构和光电性能影响规律的理论研究还罕有报道,对Co掺杂和Bi掺杂对ZnO电子结构和光电性能影响的作用机理的认识还存在很多不足。因此,本文以Co、Bi为掺杂原子,利用第一性原理的方法研究Co掺杂、Bi掺杂和Co-Bi共掺杂对ZnO电子结构和光电性能影响的作用机理。首先,采用第一性原理超软赝势方法,利用Materials Studio 8.0软件包中的CASTEP模块构建了本征ZnO的超晶胞结构,并进行了收敛性计算和结构优化。计算了研究了其电子结构和光学性能。研究发现,本征ZnO为直接带隙半导体,禁带宽度为0.743 eV。吸收边为0.74 eV,与禁带宽度相对应;在高能量区域有较强的吸收和反射性能,对可见光区的有效利用能力较弱。然后,分别用不同数量的Co和Bi原子原位替代Zn原子,计算和研究了掺杂ZnO体系的电子结构和光电磁性能。研究发现,Co掺杂ZnO后,导带和价带能级数量增多,且分布变得密集,态密度向低能方向移动。在费米能级处,Co掺杂ZnO的上自旋态和下自旋态具有明显的非对称性,掺杂体系表现出明显的铁磁性。在高能量区域吸收性能和反射性能减弱,光透过性能增强,在低能量区域的吸收系数和反射系数随着Co原子掺杂量增多逐渐变强,光透过性能减弱。Bi掺杂ZnO的介电函数虚部峰值变大,并向低能量方向红移;高能量区域的吸收峰、反射峰和能量损耗峰随着掺杂原子的增多逐渐减小,透光性增强。最后,构建了Co-Bi共掺杂ZnO的超晶胞结构。研究发现,Co-Bi共掺杂ZnO体系的能级变得更加弥散,定域性减弱,禁带宽度展宽,价带顶向低能量方向移动。CoBi-ZnO具有铁磁性。CoBi-ZnO的介电峰值和吸收峰向低能方向发生红移现象,在低能量区域的吸收系数和反射系数减弱,光透过性增强,能量损耗峰的位置与本征ZnO基本保持一致,但峰值明显下降,增强了对光的有效利用。
【图文】：

示意图,晶体结构,示意图,纤锌矿结构

a)盐岩型结构 b)闪锌矿结构 c)纤锌矿结构a) Salt structures b) Blende structure c) Wurtzite structure图 1-1 ZnO 的晶体结构示意图[31]Fig.1-1 The structures of ZnO[31]在本征氧化锌的三种结构中热稳定最好及最常见的是六方纤锌矿结构。其中晶体结构为立方闪锌矿的本征氧化锌的生长条件比较简单，可以在立方系晶

第一性原理计算,基本思路,奥本海默,波恩

图 2-1 第一性原理计算基本思路Fig.2-1 The basic idea of the first-principle calculation method似似，及波恩-奥本海默 (Born-Oppenheimer)近似，，它的核
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O472

【参考文献】