掺杂ZnO的光学特性及气体吸附性能研究
发布时间：2020-12-04 22:32
氧化锌（ZnO）是一种宽带隙半导体材料,具有独特的物理和化学性质,在发光二极管、气体传感器和太阳能电池等领域有着广阔的应用前景。目前为止,ZnO光电材料的基础研究和应用研究都慢慢走向成熟,而本征ZnO晶体结构对称性高,载流子少,性能相对单一稳定,大大限制了其应用范围。近年来,掺杂ZnO由于带隙可调制性和掺杂获得的新颖效应备受研究者青睐,因此通过原子掺杂来探索和开发ZnO材料的各种性能有着重要的科学意义,同时也为ZnO材料在微纳电子器件中开展实际应用提供巨大潜力。由于ZnO晶体中的化学键没有离子晶体结构中的化学键那么强,导致了它的晶体结构容易被掺杂原子所改变,相应的光学和气体吸附等特性也随之被改善和拓展。基于在光电子器件以及气体传感等方面的应用需求,在ZnO晶胞微结构中引入理想的掺杂原子,可实现对其宏观性能的改性、优化和调控。本文主要基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了掺杂ZnO的电子结构和光学性质,分析了金属（Ag、Al）单掺和共掺对ZnO带隙和光学性质的影响;通过在ZnO单层结构中引入缺陷,研究了氧空位缺陷的ZnO单层结构对NO2气体吸附性能和NO
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
纯ZnO(a)、Al掺杂ZnO(b)、Ag掺杂ZnO(c)和Ag-Al共掺杂ZnO(d)的XRD图谱
1312222224()3hklhkhkldac++=+(3-2)其中a和c是晶格常数，dhkl是指数的晶面距离(hkl)。根据公式（3-2），对于(002)扩散峰，晶格常数c等于2d。因此，纯ZnO、Al掺杂ZnO、Ag掺杂ZnO和Ag-Al共掺杂ZnO的c值分别为5.192、5.197、5.210和5.198。图3-1纯ZnO(a)、Al掺杂ZnO(b)、Ag掺杂ZnO(c)和Ag-Al共掺杂ZnO(d)的XRD图谱图3-2几何优化后2×2×2的超胞结构：(a)Ag掺杂ZnO；(b)Ag-Al共掺杂ZnO；红色、蓝色、绿色和粉色的球体分别代表O、Zn、Ag和Al原子Ag掺杂ZnO和Ag-Al共掺杂ZnO优化后的结构模型，如图3-2所示。构建2×2×2的ZnO超晶胞模型，它由32个原子组成，其中包括16个Zn原子和16个O原子。ZnO中Zn原子被一个Al原子或者Ag原子取代，形成了Al掺杂ZnO、Ag掺杂ZnO和Ag-Al共掺杂ZnO。表3-1为几何优化计算后得到的晶格参数和掺杂形成能。GGA近似方法通常会高估体系的晶格常数，因此，表3-1中优化后的ZnO晶格常数的计算值（a=3.282，c=5.295）远大于本征ZnO晶格常数的实验值[43]（a=3.249，c=5.207）。与纯ZnO相比，Ag掺杂ZnO的晶格常数a和c略有增加，形成能为-2.415eV，说明体系相对不稳定。此外，掺杂体系结构发生了较小的畸变，这是由于Ag+的离子半径（0.115nm）大于Zn2+
15态贡献，价带顶的峰是由O-2p态贡献。此外，O-2p态和Zn-3d态在-6.2~0eV范围内有很强的相互作用，形成了很强的Zn-O键。导带底附近的峰是由Zn-4s态贡献。体系带隙的大小由O-2p态和Zn-4s态共同决定。对于Ag掺杂ZnO体系，-17.20eV处的峰来自于O-2s态贡献。在-6.42~0eV范围内，价带的态密度峰由O-2p、Zn-3d和Ag-4d态控制，表明轨道键相互作用增强。价带顶附近由O-2p和Ag-4d两种态贡献，它们具有较强的相互作用。导带主要由O-2p、Zn-4s和Ag-5s电子态作用，使得价带和导带的宽度增大。所以，价带顶部的电子与导带底部的空穴之间的跃迁更容易，从而导致带隙减小，ZnO的导电性增加。Ag掺杂ZnO的费米能级下移进入价带，形成p型半导体。对于Ag-Al共掺杂ZnO，-17.62eV处的峰值来自于O-2s、Zn-4s和Al-3p态的贡献。从-6.81到-3.67eV的能带主要由Zn-3d态控制，靠近价带顶部的能带主要由O-2p和Ag-4d态控制。O-2p态和Ag-4d态之间的强相互作用导致价带的带宽增加。Al-3p和Ag-5s在2.56到6.02eV范围内的电子态重叠增加，导致导带的带宽增大，从而使得体系的带隙减校图3-3能带结构图：(a)纯ZnO；(b)Al掺杂ZnO；(c)Ag掺杂ZnO；(d)Ag-Al共掺杂ZnO；费米能级设为零能量并由粉红色的水平细虚线表示与纯ZnO体系相比，Ag掺杂体系的态密度整体向低能方向移动，费米能级向价带方向移动。Ag-4d和Ag-5s态的引入使Zn-3d态向价带方向移动，增加了价带和导带的宽度，减小了带隙。掺Al后，费米能级进入导带，态密度进一步向能量低的方向移动。对于Ag-Al共掺杂的ZnO，Al-3p和Ag-5s具有较强的相互作用，使得导带变宽，态密度进一步向能量低的方向移动。另外，在价带的高能区域，总态密度的变化趋势不明显。
本文编号：2898339
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
纯ZnO(a)、Al掺杂ZnO(b)、Ag掺杂ZnO(c)和Ag-Al共掺杂ZnO(d)的XRD图谱
1312222224()3hklhkhkldac++=+(3-2)其中a和c是晶格常数，dhkl是指数的晶面距离(hkl)。根据公式（3-2），对于(002)扩散峰，晶格常数c等于2d。因此，纯ZnO、Al掺杂ZnO、Ag掺杂ZnO和Ag-Al共掺杂ZnO的c值分别为5.192、5.197、5.210和5.198。图3-1纯ZnO(a)、Al掺杂ZnO(b)、Ag掺杂ZnO(c)和Ag-Al共掺杂ZnO(d)的XRD图谱图3-2几何优化后2×2×2的超胞结构：(a)Ag掺杂ZnO；(b)Ag-Al共掺杂ZnO；红色、蓝色、绿色和粉色的球体分别代表O、Zn、Ag和Al原子Ag掺杂ZnO和Ag-Al共掺杂ZnO优化后的结构模型，如图3-2所示。构建2×2×2的ZnO超晶胞模型，它由32个原子组成，其中包括16个Zn原子和16个O原子。ZnO中Zn原子被一个Al原子或者Ag原子取代，形成了Al掺杂ZnO、Ag掺杂ZnO和Ag-Al共掺杂ZnO。表3-1为几何优化计算后得到的晶格参数和掺杂形成能。GGA近似方法通常会高估体系的晶格常数，因此，表3-1中优化后的ZnO晶格常数的计算值（a=3.282，c=5.295）远大于本征ZnO晶格常数的实验值[43]（a=3.249，c=5.207）。与纯ZnO相比，Ag掺杂ZnO的晶格常数a和c略有增加，形成能为-2.415eV，说明体系相对不稳定。此外，掺杂体系结构发生了较小的畸变，这是由于Ag+的离子半径（0.115nm）大于Zn2+
15态贡献，价带顶的峰是由O-2p态贡献。此外，O-2p态和Zn-3d态在-6.2~0eV范围内有很强的相互作用，形成了很强的Zn-O键。导带底附近的峰是由Zn-4s态贡献。体系带隙的大小由O-2p态和Zn-4s态共同决定。对于Ag掺杂ZnO体系，-17.20eV处的峰来自于O-2s态贡献。在-6.42~0eV范围内，价带的态密度峰由O-2p、Zn-3d和Ag-4d态控制，表明轨道键相互作用增强。价带顶附近由O-2p和Ag-4d两种态贡献，它们具有较强的相互作用。导带主要由O-2p、Zn-4s和Ag-5s电子态作用，使得价带和导带的宽度增大。所以，价带顶部的电子与导带底部的空穴之间的跃迁更容易，从而导致带隙减小，ZnO的导电性增加。Ag掺杂ZnO的费米能级下移进入价带，形成p型半导体。对于Ag-Al共掺杂ZnO，-17.62eV处的峰值来自于O-2s、Zn-4s和Al-3p态的贡献。从-6.81到-3.67eV的能带主要由Zn-3d态控制，靠近价带顶部的能带主要由O-2p和Ag-4d态控制。O-2p态和Ag-4d态之间的强相互作用导致价带的带宽增加。Al-3p和Ag-5s在2.56到6.02eV范围内的电子态重叠增加，导致导带的带宽增大，从而使得体系的带隙减校图3-3能带结构图：(a)纯ZnO；(b)Al掺杂ZnO；(c)Ag掺杂ZnO；(d)Ag-Al共掺杂ZnO；费米能级设为零能量并由粉红色的水平细虚线表示与纯ZnO体系相比，Ag掺杂体系的态密度整体向低能方向移动，费米能级向价带方向移动。Ag-4d和Ag-5s态的引入使Zn-3d态向价带方向移动，增加了价带和导带的宽度，减小了带隙。掺Al后，费米能级进入导带，态密度进一步向能量低的方向移动。对于Ag-Al共掺杂的ZnO，Al-3p和Ag-5s具有较强的相互作用，使得导带变宽，态密度进一步向能量低的方向移动。另外，在价带的高能区域，总态密度的变化趋势不明显。
本文编号：2898339
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