纤锌矿CdxZn1-xO电子结构的第一性原理研究

采用第一性原理的平面波超软赝势方法,计算了纤锌矿ZnO及不同量Cd掺杂ZnO的电子结构.计算结果表明,Cd的掺杂导致ZnO晶体的禁带宽度变窄.主要原因在于Cd的掺入导致Zn4s轨道中能级越来越低的电子参与作用,使得决定导带底的反键Zn 4s态能级逐渐降低,同时由pd反键轨道控制的价带顶能级逐渐升高. 关键词： 密度泛函理论 超软赝势方法 Cd掺杂ZnO     

纤锌矿CdxZn1-xO电子结构的第一性原理研究

采用第一性原理的平面波超软赝势方法,计算了纤锌矿ZnO及不同量Cd掺杂ZnO的电子结构.计算结果表明,Cd的掺杂导致ZnO晶体的禁带宽度变窄.主要原因在于Cd的掺入导致Zn 4s轨道中能级越来越低的电子参与作用,使得决定导带底的反键Zn 4s态能级逐渐降低,同时由pd反键轨道控制的价带顶能级逐渐升高.     

Se掺杂ZnO的晶体结构和电子性质的第一性原理计算

本文采用基于第一性原理的密度泛函理论（DFT）平面波超软赝势方法,研究了纤锌矿ZnO及不同浓度Se掺杂ZnO合金的晶体结构和电子性质。在对Se掺杂结构优化的基础上对其进行了数值模拟计算,结果表明：ZnO1-xSex晶格常数随着Se浓度的增大而近似呈线性增加;禁带宽度随着浓度的增大先减小后增大;价带顶的位置由Se-4p态电子决定,且基本不随浓度变化而变化,导带底的位置主要由Zn-4s态电子,且随Se掺杂浓度的增加先向低能段移动然后向高能段移动,这也是带隙先变小后变大的根本原因。     

Se掺杂ZnO的晶体结构和电子性质的第一性原理计算

本文采用基于第一性原理的密度泛函理论（DFT）平面波超软赝势方法,研究了纤锌矿ZnO及不同浓度Se掺杂ZnO合金的晶体结构和电子性质。在对Se掺杂结构优化的基础上对其进行了数值模拟计算,结果表明：ZnO1-xSex晶格常数随着Se浓度的增大而近似呈线性增加;禁带宽度随着浓度的增大先减小后增大;价带顶的位置由Se-4p态电子决定,且基本不随浓度变化而变化,导带底的位置主要由Zn-4s态电子,且随Se掺杂浓度的增加先向低能段移动然后向高能段移动,这也是带隙先变小后变大的根本原因。     

In掺杂ZnO电子结构的第一性原理研究

采用第一性原理平面波超软赝势,计算了纤锌矿ZnO和不同掺杂量下In掺杂ZnO晶体的能带结构、态密度和分波态密度.计算表明,In的掺杂导致ZnO禁带宽度变窄.随着掺杂量的增大,In_xZn_1－xO的导带底和价带顶同时下降,但是导带底比价带顶下降得多,这导致了带隙的变窄.此外,In掺杂使晶胞晶格常数增大,这对带隙的变窄也有一定作用.     

Mn掺杂ZnO光学特性的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法计算了纤锌矿ZnO及不同量Mn 掺杂ZnO 晶体的电子结构,分析了掺杂对ZnO 晶体的能带结构、电子态密度、差分电荷分布的影响. 计算结果表明,随着Mn 掺杂含量的增加,ZnO 禁带宽度相应增加并且对紫外吸收区的光吸收能力也随之增强. 关键词： 密度泛函理论(DFT) 第一性原理 超软赝势 Mn掺杂ZnO     

Be掺杂纤锌矿ZnO电子结构的第一性原理研究

采用密度泛函理论结合投影缀加波方法,对Be掺杂导致ZnO禁带宽度增加的机理进行了研究.通过对掺杂前后电子能带结构、总态密度以及分态密度的计算和比较,发现导带底(CBM)是由Be 2s电子与Zn 4s电子共同控制;而Be_xZn_1-xO价带顶 (VBM)始终由O 2p电子占据.随着掺杂量的增加,决定带隙宽度的CBM的位置上升,同时VBM的位置下降,从而导致了带隙的变宽,出现了蓝移现象.此外,Be掺杂会使晶胞发生压缩,这种压应变也是导致Be 关键词： 密度泛函理论 电子结构 Be掺杂ZnO     

Al掺杂和空位对ZnO磁性影响的第一性原理研究

Al掺杂和Zn空位在ZnO中或Al掺杂和O空位在ZnO中的磁性来源和机理的认识频有争议.为了解决本问题,本文采用基于自旋密度泛函理论框架下的广义梯度近似(GGA+U)平面波超软赝势方法,用第一性原理对其进行了研究,发现Al掺杂和O空位共存在ZnO中没有磁性;Al掺杂和Zn空位在ZnO中有磁性,并且,磁性来源主要由Zn空位产生的空穴为媒介,使得Zn空位附近O 2p态和Zn 4s态电子交换作用形成的.其次,Al掺杂和Zn空位在ZnO中或Al掺杂和O空位在ZnO中,Al掺杂和Zn空位或O空位相对位置较近时,掺杂体系形成能最低,掺杂和空位越容易,稳定性越高.     

Mn掺杂ZnO光学特性的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法计算了纤锌矿ZnO及不同量Mn 掺杂ZnO 晶体的电子结构，分析了掺杂对ZnO 晶体的能带结构、电子态密度、差分电荷分布的影响. 计算结果表明，随着Mn 掺杂含量的增加，ZnO 禁带宽度相应增加并且对紫外吸收区的光吸收能力也随之增强.     

同价Mg置换对ZnO基氧化物电子结构与电性能的影响

采用密度泛函理论平面波超软赝势广义梯度近似方法,系统研究了Mg置换的ZnO基氧化物的晶格结构和电子结构,在此基础上分析了置换氧化物的电学性能。计算分析结果表明:Mg置换后的ZnO基氧化物其晶格减小,仍为直接带隙材料,带宽1.2eV。Mg掺杂ZnO体系主要在-40eV能量附近产生新的能带。费米能级附近的能带主要由Mg p、Zn p、Zn d、Op、Mg s、Zn s、Os电子形成,且这些能带之间存在着强相互作用。Zn p、Zn d、O p电子形成的能级上的载流子在外场作用下首先迁移至Mg s电子形成的能级,形成电输运过程。置换体系费米能级附近的载流子有效质量、态密度和载流子浓度都大大提高;Mg置换有利于ZnO材料体系电导率的提高。     

氧空位对ZnO基(110)二维膜材料电子结构的影响研究

在密度泛函理论方法的基础上,系统研究了本征氧化锌和氧空位氧化锌的(110)二维膜材料的形成和电子结构性质.计算分析结果表明,ZnO的本征(110)二维膜比氧空位的(110)二维膜稳定性高,ZnO的(110)二维膜有失去氧的倾向.本征ZnO的(110)膜为直接带隙型材料,带隙宽度为2.3 eV,氧空位(110)膜为间接带隙型材料,带隙宽度为1.877 eV.氧空位的(110)膜导带向下移动,并且导带中的能级简并化.氧空位(110)膜材料的导带底能级有2个能谷,分别位于1.877 eV和1.88 eV,这些位置的能级有效质量比本征膜大幅度增大,这些位置的电子速度普遍较低. ZnO的(110)膜产生氧空位之后,Zn的s电子参与形成其价带顶能级.氧空位(110)膜材料中Zn-O键的混合型结合倾向增大.     

微波吸收法研究ZnO光电子衰减过程

微波吸收无接触测量技术可以用于半导体粉体材料、微晶材料等研究光生载流子衰减过程。本文采用微波吸收法在室温下分别测量了ZnO纳米材料和微晶材料的光电子衰减过程。发现在紫外激光短脉冲激发下,两种材料的导带光电子寿命有很大的差异,ZnO微晶粉体材料的光电子寿命为50ns,而ZnO纳米材料的光电子寿命仅为10ns。分析认为纳米ZnO的光电子寿命缩短是由于纳米ZnO晶体的表面积远远大于体材料的表面积,纳米材料的表面形成了大量的缺陷能级,加速了光电子的表面复合,缩短了光电子的寿命。纳米材料内部缺陷增多和量子限域效应同样会缩短光电子的寿命。     

Density functional investigation of structural, electronic and optical properties of Ge-doped ZnO

Recent experiments reported fascinating phenomenon of photoluminescence (PL) blueshift in Ge-doped ZnO. To understand it, we examined the structural, electronic and optical properties of Ge-doped ZnO (ZnO:Ge) systematically by means of density functional theory calculations. Our results show that Ge atoms tend to cluster in heavily doped ZnO. Ge clusters can limit the conductivity of doped ZnO but reinforce the near-band-edge emission. The substitutional Ge for Zn leads to Fermi level pinning in the conduction band, which indicates Ge-doped ZnO is of n-type conductivity character. It is found that the delocalized Ge 4s states hybridize with conduction band bottom, and is dominant in the region near the Fermi level, suggesting that Ge-4s states provides major free carriers in ZnO:Ge crystal. The observed blueshift of PL in Ge-doped ZnO originates from the electron transition energy from the valence band to the empty levels above Fermi level larger than the gap of undoped ZnO. The electron transition between the gap states induced by oxygen vacancy and conduction band minimum may be the origin of the new PL peak at 590 nm.     

不同维度ZnO能带结构和电子态密度的研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法来研究不同维度ZnO的能带结构和电子态密度.参考实验上的ZnO晶格参数构建不同维度的ZnO模型并进行结构优化后再计算能带结构和电子态密度.研究结果表明二维和三维ZnO都属于直接带隙半导体且二维ZnO的禁带宽度大于三维ZnO;从三维变到二维,ZnO的电子局域化程度变高且Zn 3d轨道电子从能量较低的能级向能量较高的能级跃迁.本文的研究展示了二维和三维ZnO能带结构和电子态密度的异同,为二维ZnO基的器件研究提供了一定的理论参考价值.     

镁含量和热处理对Zn1-xMgxO薄膜结构和发光性能的影响

采用溶胶-凝胶工艺在玻璃衬底上制备了Zn_1-xMg_xO(x=0.1,0.2,0.3, 0.4,0.5,0.6,0.7)薄膜.X射线衍射谱(XRD)测试结果发现,在 0.1<x<0.3 范围内,薄膜仍然保持氧化锌六角纤锌矿结构,(002)面衍射峰位向大角度方向移动,超过0.3时出现氧化镁立方相.对镁含量为0.1,0.2,0.3薄膜的光致发光谱研究表明：紫外发光峰随镁含量的增加向短波方向移动.对于Zn_0.9Mg_0.1O薄膜,在5,5.5和6℃/min的升温速率下,升温速率越快结晶程度越好.在相同升温速率下,随着退火温度从500 ℃升高到560 ℃,样品的结晶程度变好,当退火温度达到590 ℃时,结晶质量下降. 关键词： 氧化锌 结构 禁带宽度 光致发光谱     

Energy band alignment at Cu_2O/ZnO heterojunctions characterized by in situ x-ray photoelectron spectroscopy

With the increasing interest in Cu_2O-based devices for photovoltaic applications, the energy band alignment at the Cu_2O/ZnO heterojunction has received more and more attention. In this work, a high-quality Cu_2O/ZnO heterojunction is fabricated on a c-Al_2 O_3 substrate by laser-molecular beam epitaxy, and the energy band alignment is determined by x-ray photoelectron spectroscopy. The valence band of ZnO is found to be 1.97 eV below that of Cu_2O. A type-II band alignment exists at the Cu_2O/ZnO heterojunction with a resulting conduction band offset of 0.77 eV, which is especially favorable for enhancing the efficiency of Cu_2O/ZnO solar cells.     

利用同步辐射光电子能谱技术测量ZnO/PbTe异质结的能带带阶

异质结结构界面的能带带阶是一个非常重要的参数,该参数的精确确定直接影响异质结的光电性质研究以及异质结在光电器件上的应用.利用同步辐射光电子能谱技术测量了ZnO/PbTe异质结结构的能带带阶.测量得到该异质结价带带阶为2.56 eV,导带带阶为0.49 eV,是一个典型的类型I的能带排列.利用变厚度扫描的测量方法发现,ZnO/PbTe界面存在两种键,分别是Pb—O键(低结合能)和Pb—Te键(高结合能).在ZnO/PbTe异质结界面的能带排列中导带带阶较小,而价带带阶较大,这一能带结构有利于PbTe中的激发电子输运到ZnO导电层中.该类结构在新型太阳电池、中红外探测器、激光器等器件中具有潜在的应用价值.     

纳米ZnO薄膜可见发射机制研究

利用溶胶－凝胶法 （Sol-Gel）制备了纳米ZnO薄膜，获得了高强的近紫外发射室温下测量了样品的光致发光谱(PL )、吸收谱(ABS)、X射线衍射谱(XRD).X射线衍射(XRD)的结果表明：纳米ZnO薄膜呈多晶态，具有六角纤锌矿结构和良好的C轴取向；发现随退火温度升高，（002）衍射峰强度显著增强，衍射峰的半高宽（FWHM）减小、纳米颗粒的粒径增大.由吸收谱(ABS)给出了样品室温下带隙宽度为3.30 eV.在PL谱中观察到二个荧光发射带，一个是中心波长位于392 nm附近强而尖的紫带，另一个是519 nm附近弱而宽的绿带研究了不同退火温度样品的光致发光峰值强度的变化关系，发现随退火温度升高，紫带峰值强度增强、绿带峰值强度减弱，均近似呈线性变化.证实了纳米ZnO薄膜绿光发射主要来自氧空位(Vo)形成的浅施主能级与锌空位(VZn)形成的浅受主能级之间的复合，或氧空位(Vo)形成的深施主能级上的电子至价带顶的跃迁；紫带来自于导带中的电子与价带中的空位形成的激子复合.     

Uniaxial stress influence on lattice, band gap and optical properties of n-type ZnO:first-principles calculations

The lattice, the band gap and the optical properties of n-type ZnO under uniaxial stress are investigated by first-principles calculations. The results show that the lattice constants change linearly with stress. Band gaps are broadened linearly as the uniaxial compressive stress increases. The change of band gap for n-type ZnO comes mainly from the contribution of stress in the c-axis direction, and the reason for band gap of n-type ZnO changing with stress is also explained. The calculated results of optical properties reveal that the imaginary part of the dielectric function decreases with the increase of uniaxial compressive stress at low energy. However, when the energy is higher than 4.0 eV, the imaginary part of the dielectric function increases with the increase of stress and a blueshift appears. There are two peaks in the absorption spectrum in an energy range of 4.0-13.0 eV. The stress coefficient of the band gap of n-type ZnO is larger than that of pure ZnO, which supplies the theoretical reference value for the modulation of the band gap of doped ZnO.