不同Yb掺杂浓度的ZnO的电子结构与光学特性

本文基于密度泛函理论(DFT)框架下的第一性原理计算方法,研究了不同Yb浓度掺杂ZnO体系的电子结构和光学性质.计算得到的结果证明,Yb掺杂ZnO后会造成电子结构和光学性质的明显改变.增加掺杂浓度使能带带隙逐渐变窄,其费米能级向上移动到导带,表现出n型半导体的特性;在Yb-4f态导带附近的带隙中产生了新的缺陷,同时观察到更好的吸收系数和折射率.因此,Yb掺杂ZnO对其电子性质和光学结构有很大的影响,为进一步深入了解掺杂ZnO性质的影响提供理论基础.     

AZO(ZnO:A1)电子结构与光学性质的第一性原理计算

计算了不同Al掺杂浓度下ZnO体系电子结构和光学属性.分析了掺杂对AZO(ZnO:A1)晶体结构、能带、态密度、光学性质的影响.所有计算都是基于密度泛函理论框架下的第一原理平面波赝势方法.计算结果表明:Al掺杂ZnO在导带底引入了大量由掺杂原子贡献的导电载流子,明显提高了体系的电导率.费米能级进入导带.同时,光学性质的计算表明光学带隙明显展宽,且向低能方向漂移;AZO透明导电材料的光学透过率在可见光范围内高达85%,紫外吸收限随着掺杂浓度的增加而发生蓝移.所有计算表明AzO材料可作为优良的透明导电薄膜材料.     

不同浓度Ag掺杂ZnO电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法,研究了不同浓度Ag掺杂ZnO体系的电子结构和光学性质。计算结果表明,不同浓度Ag原子代替Zn原子后会导致电子结构和光学性质有显著的改变,能带随掺杂浓度的增大带隙渐渐变窄,光吸收、反射等也随银掺杂浓度的增大先是向高能端偏移再向低能端移动。这暗示Ag掺杂ZnO对其电子结构及光学性质有很大的影响,为进一步研究掺杂对ZnO性质的影响提供理论基础。     

Ta掺杂对ZnO光电材料性能影响的研究

采用基于密度泛函理论第一性原理的方法, 研究了Ta掺杂ZnO的电子结构和光学性质. 计算结果表明: 掺入Ta原子后, 费米能级进入导带, 随着掺杂浓度的增加, 带隙逐渐变窄, 介电函数虚部、吸收系数、反射率和折射率均发生明显变化, 介电函数虚部和反射率均向高能方向移动, 吸收边发生红移, 从理论上指出了光学性质和电子结构的内在联系.     

p型Na掺杂各向异性ZnO的电子性质与热电输运性质

采用密度泛函理论的第一性原理计算研究了p型Na掺杂各向异性ZnO的能带结构、光学性质、介电性质、总态密度和不同原子的分态密度,并系统分析了其热电输运性质。计算分析结果表明,p型Na掺杂ZnO为p型直接带隙半导体,其带隙增大到1.3eV,其对于光子的吸收限向低能量光子移动,体系费米能级附近的态密度大幅度提高,这主要是p态电子贡献的;在费米能级附近的导带和价带中都出现了新的能级,这些新的能级主要由Nas、Nap、Znp、Znd和Op电子形成,且他们之间存在着强耦合相互作用。Na掺杂ZnO的电输运性质具有各向异性;其价带和导带中的载流子有效质量均较大;载流子输运主要由Nas、Nap、Znp和Op电子完成。     

Sn掺杂ZnO电子结构与光学性质的第一性原理研究

采用密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法,利用广义梯度近似和Perdew-Burke-Ernzerdorf泛函,计算了不同Sn掺杂浓度下SZO(Sn∶ZnO)体系的电子结构与光学性质.研究了Sn掺杂浓度对SZO(Sn∶ZnO)的晶体结构、能带结构、电子态密度及光学性质的影响,并结合计算的能带结构和差分电荷密度对比分析了掺杂位置对计算结果的影响.研究结果表明,随着Sn掺杂浓度的增加,晶格常数c与a的比值变化很小,掺杂后晶胞没有发生畸变.掺杂体系的能量逐渐增大,稳定性减弱,且随着掺杂浓度的增加,带隙呈现先减小后增大的变化规律.掺杂后的SZO(Sn∶ZnO)成为间接带隙半导体,在导带底部附近出现了大量Sn原子贡献的导电载流子,明显提高了掺杂体系的电导率,并在费米能级附近与价带顶部之间出现一条由Sn原子贡献的杂质能级,能带结构呈现半填满状态,价带部分的电子态密度峰值向低能方向移动约1.5eV.同层掺杂的电子得失程度较大,带隙比相邻层掺杂和隔层掺杂时小.掺杂后吸收带边发生红移,材料对紫外光的吸收能力明显增强,介电常数虚部增大,主要跃迁峰向高能方向移动.计算结果表明SZO(Sn∶ZnO)是一种优良的透明导电薄膜材料.     

Sc掺杂ZnO的电子结构和光学性质的影响

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Sc掺杂ZnO体系的晶体结构、电子结构和光学性质.在对sc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:随着Sc原子的掺入,体系的晶格常数稍微变大,键长变长,体积变大,系统总能增大,费米能级进入导带,体系逐渐呈金属性,带隙变宽且随着掺杂浓度...     

Ga掺杂ZnO电子结构和吸收光谱的第一性原理研究

采用第一性原理的平面波赝势方法和广义梯度近似,研究了纤锌矿ZnO掺杂Ga前后的电子结构和光学性质.计算结果表明,ZnO中引入杂质Ga后,导带底主要由Ga4s态和Zn4s态构成,并且Ga4s态跨过费米能级,形成n型半导体.计算得到电子浓度为2.42×10~(21)cm~(-3),掺Ga有效提高了ZnO的载流子浓度.同时ZnO掺Ga后,ZnO的光学带隙从3.47 eV展宽为4.25 eV,并且在可见光区几乎无吸收,是理想的透明导电材料.     

Al，Ga掺杂ZnO电子结构和光电特性的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)框架下广义梯度近似(GGA)的PBE平面波超软赝势方法,计算了本征ZnO,Al掺杂ZnO(ZnAlO)和Ga掺杂ZnO(ZnGaO)的能带结构、态密度、复介电函数和复电导率. 其中Al或Ga是以替位杂质的形式进入ZnO晶格. 计算结果表明纤锌矿型ZnO,ZnAlO和ZnGaO都是直接带隙半导体材料,掺杂后ZnO的带隙变小,且ZnAlO的带隙略大于ZnGaO. 掺杂后ZnO的电子结构发生变化,费米能级由本征态时位于价带顶上移进入导带,ZnO表现为n型掺杂半导体材料,掺杂后在导带底出现大量由掺杂原子贡献的自由载流子—电子,明显提高了电导率和介电函数,改善了ZnO的导电性能,并且ZnAlO的导电性能要略好于ZnGaO.     

稀土元素(Y,La)掺杂ZnO的电子结构和光学性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了未掺杂ZnO和稀土(Y,La)掺杂ZnO体系的空间结构、能带、电子态密度与光学性质.结果表明,掺杂后体系的形成能减小,稳定性变强,带隙展宽,费米能级进入导带中,体系呈金属性,载流子发生简并,形成简并半导体.定性分析了掺杂后光学性质的变化. 关键词： 氧化锌 掺杂 第一性原理     

Al，Ga掺杂ZnO电子结构和光电特性的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)框架下广义梯度近似(GGA)的PBE平面波超软赝势方法，计算了本征ZnO，Al掺杂ZnO(ZnAlO)和Ga掺杂ZnO(ZnGaO)的能带结构、态密度、复介电函数和复电导率. 其中Al或Ga是以替位杂质的形式进入ZnO晶格. 计算结果表明纤锌矿型ZnO，ZnAlO和ZnGaO都是直接带隙半导体材料，掺杂后ZnO的带隙变小，且ZnAlO的带隙略大于ZnGaO. 掺杂后ZnO的电子结构发生变化，费米能级由本征态时位于价带顶上移进入导带，ZnO表现为n型掺杂半导体材料，掺杂后在导带底出现大量由掺杂原子贡献的自由载流子—电子，明显提高了电导率和介电函数，改善了ZnO的导电性能，并且ZnAlO的导电性能要略好于ZnGaO.     

锰掺杂二硅化铬电子结构和光学性质的第一性原理计算

采用基于第一性原理的密度泛函理论(DFT)赝势平面波方法计算了锰掺杂二硅化铬(CrSi2)体系的能带结构、态密度和光学性件质.计算结果表明末掺杂CrSi2属于间接带隙半导体间接带隙宽度△ER=0.35 eV;Mn掺杂后费米能级进入导带,带隙变窄,且间接带隙宽度△Eg=0.24 eV,CrSi2转变为n型半导体.光学参数发生改变,静态介电常数由掺杂前的ε1(O)=32变为掺杂后的ε1(O)=58;进一步分析了掺杂对CrSi2的能带结构、态密度和光学性质的影响,为CrSi2材料掺杂改件的研究提供r理论依据.     

微量Mg掺杂ZnO薄膜的光致发光光谱和带隙变化机理研究

利用射频磁控溅射(RF-MS)法在450℃玻璃基底上制备了Mg掺杂量分别为0.81at%,2.43at%和4.05at%的ZnO薄膜,对其微观结构、室温光致发光光谱(PL)、光学和电学性质进行了研究.结果发现,微量Mg掺杂ZnO薄膜晶体具有六方纤锌矿结构并保持高结晶质量;掺杂0.81at%和2.43at%Mg的ZnO薄膜室温PL谱中近带边发射(NBE)峰的短波方向出现了高能发射带与NBE峰同时存在;随着Mg掺杂量增加至4.05at%,这个高能发射带逐步将NBE峰掩盖.推测在Mg掺杂ZnO薄膜中,Mg2+替代Zn2+附近核外电子的能量增大并产生了一个高能级.而未被Mg2+替代的Zn2+周围的核外电子能量状态不变,带间能级依然存在,随着Mg掺杂量的增加处于高能级的电子数目逐步增加并占绝对优势.因此,ZnO薄膜随着Mg掺杂量增加薄膜禁带宽度增大,这是由于Mg掺杂后周围电子能量增大与Burstein-Moss效应共同作用的结果.另外,薄膜在可见光区域的平均透射率均大于85%,随着Mg掺杂量的增加,薄膜禁带宽度增大并在3.36—3.52eV内变化;Mg掺杂量为0.81at%,2.43at%和4.05at%时,薄膜电阻率分别为2.2×10-3,3.4×10-3和8.1×10-3Ω.cm.     

B、N单掺杂3C-SiC电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用第一性原理的密度泛函理论赝势平面波方法,计算了未掺杂与B、N单掺杂3C-SiC的电子结构和光学性质.结果表明:掺杂改变了3C-SiC费米面附近的电子结构;B掺杂使得禁带宽度减小,价带顶上移,费米能级进入价带,形成p型半导体;N掺杂使得禁带宽度减小,导带底下移,费米能级进入导带,形成n型半导体.B、N掺杂均提高了3C-SiC在低能区的折射率、消光系数和吸收系数,增强了对红外光谱的吸收.     

Effect of La doping on the electronic structure and optical properties of ZnO

The electronic structure and optical properties of ZnO doped with La have been investigated using density functional theory based on first-principles ultrasoft pseudopotential method. The calculated results show that the La doping increases the bandgap of ZnO, in agreement with the experimental results; while the Fermi level shifts into the conduction band, revealing the so-called Burstein-Moss effect. In comparison to pure ZnO, a new peak appears in the imaginary part of dielectric function in the system doped with La and the optical absorption edge has been obviously changed. Moreover, the covalent property of Zn_1−xLa_xO is found to weaken with the increase of La concentration.     

W掺杂ZnO电子结构与光学性质第一性原理计算

采用了基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法,计算本征ZnO和不同W掺杂浓度下W:ZnO体系的电子结构和光学性质.计算结果表明:W掺杂可以提高ZnO的载流子浓度,从而改善ZnO的导电性.掺杂后,吸收光谱发生红移现象,且光学性质变化集中在低能量区,而高能量区的光学性质没有太大变化,计算结果与相关实验结果相符合.最后,结合电子结构定性分析了光学性质的变化.     

P掺杂硅纳米管电子结构与光学性质的研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了P掺杂对单壁扶手型硅纳米管电子结构和光学性质的影响.结果表明:经过P掺杂,单壁扶手型硅纳米管的能带结构从间接带隙变为直接带隙,其价带顶主要由Si-3p态电子构成,导带底主要由Si-3p态电子和Si-3s态电子共同决定;同时通过P掺杂,使单壁扶手型硅纳米管的禁带宽度变窄,导电性增强,吸收光谱产生红移.研究结果为硅纳米管在光电器件方面的应用提供了理论基础.