硫化锌中硫空位的第一性原理研究

发布时间：2017-12-08 06:35

  本文关键词：硫化锌中硫空位的第一性原理研究

  更多相关文章： 硫空位 形成能 热力学跃迁能级 空位浓度

【摘要】：半导体材料中往往会出现缺陷,这些缺陷严重影响着材料的各种性质。硫化锌(ZnS)是一种宽带隙材料,自从氧化锌的广泛应用以来,越来越多的人开始关注硫化锌的性质,硫化锌的带隙为3.68eV和氧化锌带隙的带隙3.44eV比较接近,所以硫化锌和氧化锌具有类似的性质,但肯定也有差异的地方。能源问题一直都是困扰当代学者的一个热点,光催化制氢实验的成功完成为本文提供了探索新方法的可能,有实验表明,硫化锌中若产生了硫空位后会大大提高它的光催化活性,甚至可以在可见光下制备氢气,而空位正是晶体材料的一种本征缺陷。基于这一点,本文在此方面大量调研了国内外对此的研究进展和现状,对硫化锌的硫空位这种缺陷作了详细的第一性原理计算,得到了一些能够解释上述实验的结果,同时对比了氧化锌的相关计算结果。本文基于密度泛函理论,采用第一性原理方法讨论了如下问题:(1)利用VASP软件,从硫化锌的纤锌矿结构入手,首先对其晶格常数进行了优化,得出用杂化泛函优化得出的结果更接近理论值。然后对硫化锌进行总能计算,进而计算了其几种常见本征缺陷如硫空位SV,锌空位ZnV,硫填隙iS,锌填隙iZn的形成能,计算结果表明,在相同条件下,硫空位具有最低的形成能。同时,对这些本征缺陷在不同浓度下的形成能进行了分析,发现硫空位缺陷浓度越低,其形成能越大。另外,也对硫化锌中的硫空位在不同浓度下的热力学跃迁能级进行了计算,结果表明了浓度越大,热力学跃迁能级越小。(2)本文着重对硫空位作了相关计算。首先,计算本征硫化锌的带隙和实验值进行了对比,用PBE势计算结果为2.09eV,HSE计算结果为3.25eV,都比实验值小,这是计算方法的局限性造成了,并不影响下一步的分析。其次,本文分别对不同浓度下的不同带电状态的硫空位进行了能带计算和态密度计算,引入带电缺陷后,硫空位周围的原子驰豫情况为带正电的时候是向外扩张,不带电的时候向内收缩。此外,不同的带电状态将会在带隙中间产生缺陷态,缺陷的位置将随着硫空位的浓度的变化而变化,而且会影响起带隙的太小。为了解缺陷态是由哪些原子贡献的,进一步作了Partialcharge计算,计算表明,缺陷能级一般是由缺陷周围原子贡献。(3)本文分别用了PBE和HSE对硫空位的电子结构的计算进行对比,对于带电缺陷的计算,HSE显得更优越,因为有的缺陷态在用PBE计算的时候无法给出它的具体位置,常常对本文的分析造成干扰。(4)本文的核心是计算不同S空位浓度对其光催化性能的影响,通过HSE能带计算,得出缺陷能级随空位浓度变化的规律,由此继续计算了其光学性质表明,S空位浓度越大,其更容易发生光学吸收,进而具有更好的光催化活性。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN304

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本文编号：1265419