Ca掺杂ZnO氧化物的电子结构与电性能研究

基于密度泛函理论广义梯度近似第一性原理计算的方法,系统研究了Ca掺杂ZnO氧化物的晶格结构和电子结构,在此基础上分析了其电学性能.结果表明,Ca掺杂ZnO晶胞减小.Ca掺杂氧化物仍为直接带隙半导体材料,带宽达1.5 eV.掺杂体系费米能级附近的能带主要由Cas态、Cap态、Znp态和Op态电子构成,其中p态电子对价带态贡献最大,且Cas态、Znp态和Op态电子之间存在着更强的相互作用.Ca掺杂ZnO氧化物费米能级EF附近载流子浓度增加,运动速度减小,有效质量增加,导电机构为Cas态、Znp态和Op态电子在价带与导带的跃迁,具有更高的电导率,较高的Seebeck系数和综合电性能.     

不同浓度Nb掺杂ZnO第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了不同浓度Nb掺杂ZnO的能带结构及性能,并对本征ZnO、Al掺杂ZnO(AZO)和Nb掺杂ZnO(NZO)的模拟结果进行对比分析。结果表明:(1)NZO和AZO的带隙值均低于本征ZnO的带隙值,掺杂浓度(原子数分数)同为6.25%的NZO的带隙值低于AZO的带隙值。随着Nb掺杂浓度增高,NZO的导带底明显降低,态密度峰值降低,且Nb-4d态电子占据了费米能级的主要量子态。(2)随着掺杂浓度的增加,NZO和AZO吸收峰和介电函数峰均降低,且向低能区移动,其中,NZO吸收峰向低能区移动更明显,且介电函数虚部分别在0.42 eV和34.29 eV出现新的峰,主要是价带中Nb-4d和Nb-5p电子能级跃迁所致。掺杂浓度同为6.25%的NZO的静介电常数大于AZO的静介电常数,表明NZO极化能力更强,NZO可以更有效改善ZnO的光电性能。随着Nb掺杂浓度增加,NZO的吸收系数和介电函数虚部强度增加且向高能区移动。NZO的模拟结果为高价态元素Nb掺杂ZnO的实验研究工作及实际应用提供了理论参考。     

ZnAl2O4的电子结构及光学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对ZnAl2O4的能带结构、态密度、布居分布及光学性质进行了理论计算。结果表明:ZnAl2O4为直接带隙半导体,能带宽度为3.91 eV;价带主要由O2p态和Zn3d态构成,导带主要由Al3s,3p态构成;ZnAl2O4为离子和共价兼有的化合物;并利用计算的能带结构和态密度分析了ZnAl2O4材料的复介电函数,光电导率,折射率以及消光系数等光学性质。且静态介电函数ε1(0)=3.35,静态折射率n0=1.83。     

Cd对纤锌矿ZnO极化特性的影响以及Zn0.75Cd0.25O/ZnO界面能带偏差的第一性原理研究

基于第一性原理GGA+U方法研究了Zn1-xCdxO合金的品格常数以及自发极化随Cd组分x的变化关系,其中极化特性的计算采用Berry-phase方法,同时计算了禁带宽度随Cd组分x的变化关系,并得到了能隙弯曲参数0.69.此外,通过计算宏观平均静电势的方法得到了(5 +3)Cd0.25Cd0.750/ZnO超晶格界面处的价带偏差为0.13 eV,导带偏差与价带偏差的比值为4/13,并且Zn1-xCdxO/ZnO界面两侧能带呈现Ⅰ型排列,这些研究结果将对Zn1-xCdxO/ZnO界面二维电子气的设计与优化起到重要作用.     

C-X(X=Y,Zr)共掺杂SnO2电子结构的第一性原理研究

基于第一性原理方法研究了C单掺杂SnO2和C-X(X=Y,Zr)共掺杂SnO2的能带结构、态密度以及分电荷分布.结果表明:C掺杂、C-Y、C-Zr共掺杂SnO2的带隙值分别为1.109 eV、1.86 eV、1.214 eV,较超胞结构的带隙值降低,有利于电子的跃迁;C-Y共掺杂SnO2的导带底部有3条杂质能级分离出来,C-Zr共掺杂SnO2的能带价带顶部能级中有3条能级分离出来,其中1条能级贯穿费米能级;C-Y,C-Zr共掺杂SnO2的态密度中在低能区会产生1个态密度峰值,部分态密度的峰值由Y、Zr的d轨道贡献;C-Y、C-Zr共掺杂SnO2会打破SnO2电子平衡状态,致使电荷的重新分布.     

金属纳米线填充氮硼碳纳米管电子结构与光学性质的研究

基于第一性原理、密度泛函理论,通过CASTEP模块对填充金,银,铜纳米线的氮硼碳纳米管进行计算,研究其电子结构及光学性质.发现填充不同金属,稳定性由高到低分别为铜填充氮硼纳米管,银填充氮硼纳米管,金填充氮硼纳米管;体系能带图中带隙为零,即金属填充的氮硼纳米管使得本征(8,0)碳纳米管由半导体性转变为金属性;态密度分布中,价带处态密度主要由金属元素的d轨道和氮硼纳米管的s,p轨道贡献,导带处的态密度主要为氮硼纳米管的p轨道贡献;通过差分电荷密度图得知,填充金属的氮硼纳米管中共价键,离子键,金属键共存,光学性能中吸收系数峰值均增大,反射系数均出现红移.     

BiOCl(110)表面电子结构和光学吸收的第一性原理研究

基于密度泛函理论第一性原理研究了BiOCl(110)表面两种不同终止端(ll0)-BiCl和(110)-O电子结构和光吸收性质.结果表明:(110)-BiCl和(110)-O表面均未发生重构现象;(ll0)-BiCl表面导带底部出现明显表面态,导致该表面带隙降低,且价带与导带均朝低能方向移动;而(110)-O表面态位于价带顶,导带能带变窄导致该表面带隙略大于体相BiOCl;(ll0)-BiCl和(110)-O表面能分别为1.570 J· m-2和1.550 J· m-2;光吸收性质对比分析知,与BiOCl体相相比,(ll0)-BiCl表面吸收光谱发生明显红移.     

S-La共掺杂ZnO性能的第一性原理研究

采用基于广义梯度近似的第一性原理方法,研究了纯ZnO、S单掺、La单掺和S-La共掺ZnO的能带结构、态密度和光学性质。S单掺ZnO后,价带和导带同时向低能量转移,导致带隙减小。La单掺ZnO后在导带底产生杂质能级使得带隙减小。S-La共掺ZnO导致La的局部化减弱,表明La形成的施主能级由于S的3p态的影响变得更浅,从而减小了带隙。和纯ZnO相比,掺杂后的ZnO吸收系数和反射系数都减小,导致透射能力增强,为ZnO作为透明导电氧化物应用于太阳能电池提供了潜在的理论依据。     

Al-N共掺杂ZnO的第一性原理研究

为了研究p型ZnO的掺杂改性,本文运用第一性原理密度泛函理论研究了未掺杂,Al、N单掺杂和Al-N共掺杂ZnO晶体的几何结构、能带结构、电子态密度.计算结果表明:未掺杂,Al、N单掺杂和Al-N共掺杂ZnO的超晶胞体积分别为0.2043 nm3、0.2034 nm3、0.2027 nm3、0.1990 nm3,带隙分别为0.72 eV、0.71 eV、0.60 eV、0.55 eV;N是比较理想的p型掺杂受主,若在禁带中再引入激活施主Al后,可填充的电子数由原来的19个增加到24个,N原子接受从价带跃迁的电子使价带产生非局域化空穴载流子,从而提高了晶体的导电性.与未掺杂,Al、N单掺杂相比,Al-N共掺杂ZnO具有更稳定的结构,更窄的带隙,更好的导电性,更有利于实现p型化.     

P和Al掺杂立方相Ca2Si电子结构及光学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软贋势方法,分别计算了立方相Ca2Si及掺杂P、Al的电子结构和光学性质.结果表明:立方相Ca2Si是带隙为0.55483 eV的直接带隙半导体,价带主要由Si的3p和Ca的3d、4s态电子构成,导带主要由Ca 的3d、4s和Si的3p态电子共同构成,静态介电常数为11.92474,折射率为3.45322.Ca2Si掺P后,Ca2Si转变为n型半导体,其带隙值是0.42808 V,价带主要由Si、Al的3p和Ca的3d、4s态电子构成,导带主要由Ca的3d、Al的3p、3s和Si的3p态电子构成.静态介电常数为7.92698,折射率为2.81549.掺Al后, Ca2Si转变为n型半导体,带隙值是0.26317 eV,费米面附近的价带主要由Si、P的3p和Ca的3d态电子构成,导带主要由Ca的3d 4s、P的3p、3s和Si的3p态电子构成.静态介电常数为17.02409,折射率为4.12603.掺P和Al均降低Ca2Si的反射率,提高Ca2Si的吸收系数,提高Ca2Si的光利用率.说明掺杂能够有效地改变Ca2Si的电子结构和光学性质,为Ca2Si材料的研发和应用提供理论依据.     

纤锌矿和岩盐结构ZnO的相变、弹性性质和电子结构研究

采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势(USP)方法,结合广义梯度近似(GGA)计算了岩盐结构(B1)和纤锌矿结构(B4)ZnO的相变、弹性性质,并分析了B1和B4相ZnO在相变点处的电子结构特征.计算结果表明:ZnO在12.72 GPa时发生了由B4相向B1相的转变.B1和B4相ZnO的体弹性模量分别为171.5 GPa和132.8 GPa.能带结构的结果表明B1相是间接带隙半导体,带隙值为1.404 eV,而B4相是直接带隙半导体,带隙值为1.107 eV.     

ZnO:Sb掺杂机理的第一性原理研究

为了研究ZnO:Sb的掺杂机理,本文运用第一性原理密度泛函理论计算了理想纤锌矿ZnO和SbO 、SbZn 、SbZn-2VZn三种Sb掺杂ZnO晶体模型的几何结构、能带结构和电子态密度.计算结果表明:sb的掺人使得晶格发生不同程度的膨胀,其中以SbZn-2VZn复合缺陷模型的膨胀最小,键长最短,说明此结构的化学稳定性最高.通过能带和态密度的分析可知,ShO和SbZn模型存在不合理性,而SbZn-2VZn复合缺陷中的VZn可以使价带产生非局域化空穴载流子.定量计算进一步确认了SbZn-2VZn构型的可填充电子数最多,合理解释了晶体导电性的提高.形成能计算表明,在富氧条件下SbZn-2VZn的形成能最低,说明在富氧条件下掺杂Sb更有利于实现ZnO的p型化.     

钇掺杂多孔结构氧化锌纳米棒的制备与性能研究

采用两步法在二氧化锡掺氟(SnO2:F,FTO)导电玻璃基板上制备出钇(Y)掺杂多孔结构氧化锌(ZnO)纳米棒,首先利用浸渍-提拉法在FTO导电玻璃基板上制备ZnO晶种层,然后利用水热法在ZnO晶种层上生长Y掺杂ZnO纳米棒.研究了不同浓度Y掺杂ZnO纳米棒的晶相结构、微观形貌、化学组成及光学性能.实验结果表明:所制备的Y掺杂ZnO纳米棒为沿c轴择优取向生长的六方纤锌矿结构,随着Y掺杂浓度的增加,ZnO纳米棒(002)衍射峰强度先增大后减小,纳米棒的平均长度由1.3μm增加到2.6μm.ZnO纳米棒的形貌由锥状结构向柱状结构演化,纳米棒侧面的孔洞分布密度增加.所制备的Y掺杂ZnO纳米棒具有一个较弱的紫外发光峰和一个较强的宽可见发光峰.所制备样品的光学带隙随着Y掺杂浓度的增加而减小,其光学带隙在3.29～3.21 eV之间变化.利用Y掺杂ZnO纳米棒作为量子点敏化太阳能电池的光阳极可极大提高太阳电池的光电转换效率.     

CuInS2量子点敏化ZnO基光阳极的制备与性能研究

采用两步法在导电玻璃(FTO)基板上制备纯氧化锌(ZnO)纳米棒和钇掺杂的氧化锌(ZnO∶Y)纳米棒,采用连续离子层吸附反应法(SILAR)在所制备的ZnO及ZnO∶Y纳米棒上沉积CuInS₂量子点制备ZnO/CuInS₂和ZnO∶Y/CuInS₂光阳极。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、电子探针能谱仪(EDS)、紫外-可见分光光度计(UV-Vis)、电流密度-电压(J-V)曲线等技术手段对不同光阳极样品的晶相结构、微观形貌、化学组成、光吸收性能和太阳电池性能进行了表征。实验结果表明:所制备的ZnO纳米棒和ZnO∶Y纳米棒为六方纤锌矿结构。CuInS₂量子点敏化的ZnO纳米棒薄膜的光学带隙从3.22 eV减小为2.98 eV。CuInS₂量子点敏化ZnO∶Y太阳能电池的短路电流密度和光电转换效率比未掺杂的ZnO纳米棒组装的太阳能电池分别提高了6.5%和50.4%。     

钨酸铋钠晶体电子结构的理论模拟

应用嵌入分子团簇的相对论密度泛函理论和离散变分(DVM)计算程序，对Na、Bi两种不同占位状态钨酸铋钠晶体的电子结构进行了理论计算。经计算，(Bi4Na4W5020)6 团簇的禁带宽度为4．1eV，与实际晶体的禁带宽度相符；导带底主要是W5d轨道与Bi6p1/2轨道，而价带顶则主要由O2p轨道组成；Bi轨道能级受Na、Bi离子占位因素影响较大。     

衬底温度对磁控溅射法制备掺Ta氧化锌薄膜性能的影响

采用射频磁控溅射法,在不同的衬底温度下制备了钽(Ta)掺杂的氧化锌(ZnO)薄膜,采用X射线能谱(EDS)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、紫外-可见分光光度计和光致发光(PL)光谱研究了衬底温度对制备的Ta掺杂ZnO薄膜的组分、微观结构、形貌和光学特性的影响.EDS的检测结果表明,Ta元素成功掺入到了ZnO薄膜;XRD图谱表明,掺入的Ta杂质是替代式杂质,没有破坏ZnO的六方晶格结构,随着衬底温度的升高,(002)衍射峰的强度先增大后降低,在400℃时达到最大;SEM测试表明当衬底温度较高时(400℃和500℃),Ta掺杂ZnO薄膜的晶粒明显变大;紫外-可见透过光谱显示,在可见光范围,Ta掺杂ZnO薄膜的平均透光率均高于80;,衬底不加热时制备的Ta掺杂ZnO的透光率最高;制备的Ta掺杂ZnO薄膜的禁带宽度范围为3.34~3.37eV,衬底温度为500℃时制备的Ta掺杂ZnO薄膜的禁带宽度最小,为3.34eV.PL光谱表明衬底温度为500℃时制备的Ta掺杂ZnO薄膜中缺陷较多,这也是造成薄膜禁带宽度变小的原因.     

Ag,O共掺实现p型氮化铝纳米管电子结构的第一性原理研究

基于第一性原理的平面波超软赝势法对(6, 0)单壁氮化铝纳米管、Ag掺杂,以及Ag和O共掺纳米管进行了几何结构优化。计算讨论了掺杂前后氮化铝纳米管的能带结构、态密度和差分电荷密度。研究显示:本征氮化铝纳米管、Ag掺杂和Ag-O共掺氮化铝纳米管的带隙分别为2.49 eV、1.84 eV和1.80 eV。掺杂构型仍然保持半导体特性,Ag掺杂氮化铝纳米管的价带顶贯穿费米能级从而形成简并态,实现了氮化铝纳米管的p型掺杂,但Ag-4d态和N-2p态电子轨道间有强烈的杂化效应,Ag的单掺总体上是不稳定的。O掺入后,Ag与O之间的吸引作用克服了Ag原子之间的排斥作用,使Ag在氮化铝纳米管中的掺杂更加稳定;共掺纳米管体系的带隙相较于单掺纳米管体系更加窄化,导电性进一步增强。Ag和O共掺有望成为获得p型氮化铝纳米管的有效方法。     

X-ray photoelectron spectroscopy of silica in theory and experiment

Fourier deconvolved X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) valence band spectra obtained from crystalline and amorphous silica, used in conjuction with the results of quantum chemical calculations of the SiO₄ tetrahedral unit and other spectrometric measurements (soft X-ray emission, UV absorption and reflectivity, photoconductivity, photoinjection and energy loss spectroscopy), suggest a reinterpretation of the electronic band structure of silica that is consistent with all the data. A unique method for pinning the Fermi level of insulators to that of a metal calibrant is described, resulting in the ability to obtain absolute binding energies of the electronic levels in wide bandgap insulators. Observe peaks in UV reflectivity and energy loss spectra of silica are all assigned to direct interband transitions, and no excitonic states need be involved to explain the data. Upper and lower limits for the bandgap of dry crystalline (α-quartz) and amorphous (Corning Code 7940 glass) silica are adjusted downward from the 8.9 eV bandgap proposed by DiStefano and Eastman [1] to 7.8–5.55 eV for α-quartz and 7.3–5.05 eV for fused silica, respectively. This in no way compromises the obvious insulating properties of silica in MOS devices, since the conductivity is governed by the high barrier height (～3.8 eV in the case of gold) for metal-insulator electron transfer. The lowered bandgap results from increased low-energy electron density in the valence band, which we ascribe to the 1t₁ molecular orbital predicted by various quantum formalisms, but heretofore not detected experimentally in bulk (thick) silica. Disappearances of this orbital and rearrangement of the non-binding 5t₂ and 1e orbitals in silicas rich in silanols (OH), as may be the case for thin-film silica on Si metals, would increase the bandgap to 8.3 eV, in better agreement with previous determinations.