采用第一性原理研究钼掺杂浓度对ZnO物性的影响

Mo掺杂ZnO的吸收光谱红移和蓝移两种相互冲突的实验结果均有报道,但是仍然没有合理解释.为了解决该问题,本文采用基于密度泛函理论的广义梯度近似平面波超软赝势+U方法,用第一性原理分析了Zn_(0.9583)Mo_(0.0417)O,Zn_(0.9375_Mo_(0.0625_O,Zn_(14)Mo_2O的能带结构、态密度和吸收光谱分布.结果表明,Mo掺杂量为2.08 at%—3.13 at%的范围内,随着掺杂量的增加,体系的体积逐渐增大,形成能逐渐升高,稳定性逐渐下降,掺杂逐渐困难.与此同时,所有掺杂体系均转化为n型简并半导体.与未掺杂ZnO相比,掺杂体系的带隙均变窄,吸收光谱均发生红移,Mo掺杂量越增加,掺杂体系带隙变窄减弱、吸收光谱红移减弱、电子有效质量越减小、电子浓度越减小、电子迁移率越减小、电子电导率越减小.同时,磁矩减小,掺杂体系的居里温度能达到室温以上.     

V高掺杂ZnO最小光学带隙和吸收光谱的第一性原理研究

对于V高掺杂ZnO,当摩尔分数为0.0417—0.0625时,随着掺杂量的增加,吸收光谱出现蓝移减弱和蓝移增强两种不同实验结果均有文献报道.采用密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,构建未掺杂ZnO单胞模型、V高掺杂Zn1-xVxO(x=0.0417,0.0625)两种超胞模型,采用GGA+U方法计算掺杂前后体系的形成能、态密度、分波态密度、磁性和吸收光谱.结果表明,当V的掺杂量(原子含量)为2.083%—3.125%时,随着V掺杂量增加,掺杂体系磁矩增大,磁性增强,并且掺杂体系体积增加,总能量下降,形成能减小,掺杂体系更稳定,同时,掺杂ZnO体系的最小光学带隙增宽,吸收带边向低能级方向移动.上述计算结果与实验结果一致.     

Ti掺杂ZnO光电性能的第一性原理研究

在掺杂量为1.04 at%-1.39 at%的范围内,Ti掺杂ZnO体系吸收光谱分布和电导率的实验结果存在争议均有文献报道,但是,迄今为止,对此未有合理的理论解释.为了解决存在的争议,本文采用基于密度泛函理论的广义梯度近似平面波超软赝势GGA+U的方法,用第一性原理构建了两种不同掺杂量Zn_(0.9792)Ti_(0.0208)O和Zn_(0.9722)Ti_(0.0278)O超胞模型,所有模型在几何结构优化的基础上,对能带结构分布,态密度分布和吸收光谱分布进行了计算.计算结果表明:在本文限定的掺杂量范围内,Ti掺杂量越增加,掺杂体系体积越增加,体系总能量越升高,体系稳定性越下降,形成能越升高,掺杂越难,掺杂体系布居值减小,Ti-O键长变长,共价键减弱,离子键增强,所有掺杂体系均转化为n型化简并半导体;掺杂体系带隙越变宽,吸收光谱蓝移越显著,电子有效质量越增加,电子浓度越增加,电子迁移率越减小,电子电导率越减小,掺杂体系导电性能越差.计算结果与实验结果相符合.对存在的问题进行了合理的理论解释.对Ti掺杂ZnO光电功能材料的设计和制备有一定的理论指导作用.     

Al-2N掺杂量对ZnO光电性能的影响

与本文相近的Al-2N掺杂量的范围内, 对ZnO掺杂体系吸收光谱分布红移和蓝移两种实验结果均有文献报道, 但是, 迄今为止对吸收光谱分布尚未有合理的理论解释. 为了解决该问题, 本文采用基于密度泛函理论的广义梯度近似 平面波超软赝势方法, 用第一性原理构建了两种不同掺杂量的Zn_0.98148Al_0.01852O_0.96296N_0.03704和Zn_0.96875Al_0.03125O_0.9375N_0.0625超胞模型. 在几何结构优化的基础上, 对模型能带结构分布、态密度分布和吸收光谱分布进行了计算. 计算结果表明, 在本文限定的掺杂量范围内, Al-2N掺杂量越增加, 掺杂体系的体积越减小, 体系总能量越升高, 体系稳定性越下降, 形成能越升高, 掺杂越难; 所有掺杂体系均转化为简并p型化半导体, 掺杂体系最小光学带隙均变窄,吸收光谱均发生红移; 同时发现掺杂量越增加, 掺杂体系最小光学带隙变窄越减弱, 吸收光谱红移越减弱. 研究表明: 要想实现Al-2N共掺在ZnO中最小光学带隙变窄、掺杂体系发生红移现象, 除了限制掺杂量外, 尺度长短也应限制; 其次, Al-2N掺杂量越增加,掺杂体系空穴的有效质量、浓度、 迁移率、电导率越减小,掺杂体系导电性能越减弱. 计算结果与实验结果的变化趋势相符合. 研究表明, Al-2N共掺在ZnO中获得的新型半导体材料可以用作低温端的温差发电功能材料.     

In–2N高共掺浓度和择优取向对ZnO最小光学带隙和吸收光谱的影响

目前, 虽然In和2N共掺对ZnO最小光学带隙和吸收光谱影响的实验研究均有报道, 但是, In和2N共掺在ZnO中均是随机掺杂, 没有考虑利用ZnO的单极性结构进行择优取向共掺, 第一性原理的出现能够解决该问题. 本文采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势(GGA+U)方法, 计算了纯的ZnO单胞、择优位向高共掺In–2N原子的Zn_1-xIn_xO_1-yN_y(x= 0.0625–0.03125, y=0.0625–0.125)八种超胞模型的态密度分布和吸收光谱分布. 计算结果表明, 在相同掺杂方式、不同浓度共掺In-2N的条件下, 掺杂量越增加, 掺杂体系体积越增加、能量越增加, 稳定性越下降、形成能越增加、掺杂越难、掺杂体系最小光学带隙越变窄、吸收光谱红移越显著. 计算结果与实验结果相一致. 在不同掺杂方式、相同浓度共掺In–2N的条件下, In–N沿c轴取向成键共掺与垂直于c轴取向成键共掺体系相比较, 沿c轴取向成键共掺体系最小光学带隙越变窄、吸收光谱红移越显著. 这对设计和制备新型光催化剂功能材料有一定的理论指导作用.     

GGA+U的方法研究Ag掺杂浓度对ZnO带隙和吸收光谱的影响

目前, 当Ag掺杂ZnO摩尔数为0.0208-0.0278的范围内, Ag掺杂对ZnO吸收光谱影响的实验研究均有文献报道, 但是, 有两种不同的实验结果, 掺杂体系吸收光谱红移或蓝移两种相悖的报道. 为了解决本问题, 本文采用自旋密度泛函理论(DFT)框架下的广义梯度近似(GGA+U)平面波赝势方法, 构建三种Zn_1-xAg_xO (x=0, x=0.0278, x=0.0417)模型, 分别对所有模型进行几何结构优化和能量计算. 结果表明, 与纯的ZnO布居值和Zn-O的键长相比, 掺杂体系布居值减小、Ag-O键长增加、共价键减弱、离子键增强. 当Ag掺杂ZnO摩尔数为0.0278-0.0417的范围内, Ag掺杂量越增加、O原子2p轨道、Zn原子的4s, 3d轨道电荷数不变、Ag原子的5s轨道电荷数越增加、Ag原子的4d轨道电荷数越减小、掺杂体系晶格常数越增加、体积越增加、总能量越增加、稳定性越下降、形成能越下降、掺杂越难、掺杂体系的带隙越变窄、吸收光谱红移越显著. 计算结果与实验结果相一致. 并且合理解释了存在的问题. 这对设计和制备Ag掺杂ZnO体系的光催化剂有一定的理论指导作用.     

V高掺杂量对ZnO(GGA+U)导电性能和吸收光谱影响的研究

目前,在V高掺杂ZnO中,当V掺杂量摩尔数为0.03125—0.04167的范围内,掺杂量越增加,电阻率越增加或越减小的两种实验结果均有文献报道.为解决这个矛盾,本文采用密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,构建未掺杂ZnO,V高掺杂的Zn1-xVxO(x=0.03125,0.04167)两种超胞模型,首先,对所有体系进行几何结构优化,在此基础上,采用GGA+U的方法,计算所有体系的能带结构分布、态密度分布、吸收光谱分布.结果表明,当掺杂量摩尔数为0.03125—0.04167的范围内,V掺杂量越增加,掺杂体系体积越增加,总能量越下降,形成能越减小,掺杂体系越稳定,相对电子浓度越减小,迁移率越减小,电导率越减小,最小光学带隙越增加,吸收光谱蓝移越显著.计算结果与实验结果相一致.     

用GGA+U法研究稀土掺杂对ZnO电子结构磁性和光学性质的影响

基于自旋密度泛函理论框架下的广义梯度近似平面波模守恒赝势方法,确定了准确计算Zn_(16)O_(16)超晶胞各原子对应的U值;通过计算形成能和化学键的布局分析了掺杂结构的稳定性;通过原子电荷布局和自旋电子态密度的计算分析了掺杂结构的能带结构和磁性状态;讨论了各稀土原子掺杂对ZnO吸收光谱的影响.结果表明:稀土元素的引入使晶格膨胀,Zn-O键最长键增大而最小键减小,导致氧四面体畸变;Y/La/Ce掺杂的ZnO具有亚铁磁性,Th掺杂ZnO则呈弱铁磁性,Ac掺杂ZnO为顺磁体;稀土元素使ZnO的价带和导带下移,费米能级进入导带,增强了体系的电导率;Y/La/Ac掺杂对ZnO带隙宽度的影响较小,吸收光谱略微蓝移,而Ce/Th掺杂则有效提升了ZnO对可见光的吸收.     

V高掺杂量对ZnO（GGA+$lt;em$gt;U$lt;/em$gt;）导电性能和吸收光谱影响的研究

目前,在V高掺杂ZnO中,当V掺杂量摩尔数为0.03125–0.04167的范围内,掺杂量越增加,电阻率越增加或越减小的两种实验结果均有文献报道. 为解决这个矛盾,本文采用密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,构建未掺杂ZnO,V高掺杂的Zn_1-xV_xO （x=0.03125,0.04167） 两种超胞模型,首先,对所有体系进行几何结构优化,在此基础上,采用GGA+U的方法,计算所有体系的能带结构分布、态密度分布、吸收光谱分布. 结果表明,当掺杂量摩尔数为0.03125–0.04167的范围内,V掺杂量越增加,掺杂体系体积越增加,总能量越下降,形成能越减小,掺杂体系越稳定,相对电子浓度越减小,迁移率越减小,电导率越减小,最小光学带隙越增加,吸收光谱蓝移越显著. 计算结果与实验结果相一致. 关键词： V高掺杂ZnO 电导率 吸收光谱 第一性原理     

Ni掺杂对ZnO磁光性能的影响

在掺杂浓度范围为2.78%—6.25%(物质的量分数)时,Ni掺杂ZnO体系吸收光谱分布的实验结果存在争议,目前仍然没有合理的理论解释.为了解决存在的争议,在电子自旋极化状态下,采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,构建不同Ni掺杂量的ZnO超胞模型,分别对模型进行几何结构优化和能量计算.结果表明,Ni掺杂量越大,形成能越高,掺杂越难,体系稳定性越低,掺杂体系带隙越窄,吸收光谱红移越显著.采用LDA(局域密度近似)+U方法调整带隙.结果表明,掺杂体系的铁磁性居里温度能够达到室温以上,磁矩来源于p-d态杂化电子交换作用.Ni掺杂量越高,掺杂体系的磁矩越小.另外还发现Ni原子在ZnO中间隙掺杂时,掺杂体系在紫外光和可见光区的吸收光谱发生蓝移现象.     

第一性原理方法研究N-Pr共掺杂ZnO的电子结构和光学性质

作为一种稳定性好、抗辐射能力强、原材料丰富的宽禁带半导体, ZnO在光催化的研究领域中成为热点材料,但是其仅能吸收可见光中的紫光,因此如何扩大ZnO对可见光的响应范围是一个值得研究的问题.掺杂改性是解决这个问题的常用方法.基于以上考量,本文应用第一性原理计算方法研究了N与Pr掺杂对ZnO的电子结构和光学性质的影响.研究结果表明:共掺体系比单掺体系更容易形成,且共掺体系的稳定性随Pr浓度的增加先增强后变弱;同一体系的最短Zn—O键与最长Zn—O键的布居数比例随杂质浓度的增大先增大后减小,说明杂质的掺入对体系的晶格畸变有很大的影响,有利于光生空穴-电子对的分离,从而提高材料的光催化活性. N 2p态与Pr 4f态发生杂化对晶体的完整性产生了破坏,在杂质原子周围形成晶场,造成能级劈裂,带隙减小;介电函数虚部的主峰位均向低能区域移动,吸收光谱中各掺杂体系发生红移,各共掺体系随着杂质原子Pr浓度的增加,在可见光区的响应范围依次扩大,吸收能力也依次增加,说明N与Pr的共掺杂对提高ZnO的光催化性是有利的.     

过渡金属与F共掺杂ZnO薄膜结构及磁、光特性

采用溶胶-凝胶法在玻璃衬底上制备了过渡金属元素与F共掺杂Zn_0.98-xTM_xF_0.02O (TM_x=Cu_0.02, Ni_0.01, Mn_0.05, Fe_0.02, Co_0.05)薄膜, 进而利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、紫外-可见透过谱、光致发光及振动样品磁强计等研究了薄膜的表面形貌、微结构、禁带宽度及光致发光(PL)和室温磁学特性. 研究表明: 掺杂离子都以替位的方式进入了ZnO晶格, 掺杂不会破坏ZnO的纤锌矿结构. 其中Zn_0.93Co_0.05F_0.02O薄膜样品的颗粒尺寸最大, 薄膜的结晶度最好且c轴择优取向明显; Zn_0.93Mn_0.05F_0.02O薄膜样品的颗粒尺寸最小, 薄膜结晶度最差且无明显的c轴择优取; Cu, Ni, Fe与F共掺杂样品的颗粒尺寸大小几乎相同. TM掺杂样品均表现出很高的透过率, 同时掺杂后的薄膜样品的禁带宽度都有不同程度的红移. PL谱观察到Zn_0.98-xTM_xF_0.02O薄膜的发射峰主要由较强的紫外发射峰和较弱的蓝光发射峰组成. Zn_0.93Mn_0.05F_0.02O薄膜样品的紫外发光峰最弱, 蓝光发射最强, 饱和磁化强度最大; 与之相反的是Zn_0.96Cu_0.02F_0.02O薄膜, 其紫外发光峰最强, 蓝光发射最弱, 饱和磁化强度最小. 结合微结构和光学性质对Zn_0.98-xTM_xF_0.02O薄膜的磁学性质进行了讨论.     

Mn掺杂对ZnO薄膜结构及发光性能的影响

利用脉冲激光沉积的方法在Si衬底上生长出了c轴高度取向的Mn掺杂ZnO薄膜.X射线衍射表明所有样品都具有纤锌矿结构,没有发现其它相,随着掺杂量的增加,c轴晶格常数增大.原子力显微镜结果显示:Mn的掺杂引起了ZnO薄膜表面粗糙度的变化.由光致发光谱发现,在387 nm附近出现了由于近带边自由激子复合引起的紫外峰,还有以4...     

Zn1-xMgxO电子结构及光学性质的第一性原理GGA+U方法研究

Mg掺杂ZnO形成的固溶体Zn_1-xMg_xO（ZMO）（0 ≤ x ≤ 0.25）是一种带隙较宽、电子学性质可调控的半导体材料,在薄膜太阳电池及光电设备的透明电极等方面具有重要的应用价值。基于密度泛函理论下的第一性原理超软赝势方法,采用GGA+U计算了ZMO的电子结构和光学性质。计算结果表明,随着x值的增加,ZMO的禁带宽度由x=0时的3.32 eV增加到x=0.25时的3.78 eV;光吸收边及反射谱和能量损失谱均发生明显蓝移,峰值存在于紫外光区。计算结果与实验结论相符合。