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     

In-2N高共掺位向对ZnO(GGA+U)导电性能影响的研究

目前,虽然In和2N共掺对ZnO导电性能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位向共掺.第一性原理的出现能够解决该问题.因此,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方法,计算了未掺杂ZnO单胞、不同位向高共掺In-2N原子的Zn1-xInxO1-yNy(x=0.0625,y=0.125)两种超胞模型的能带结构分布、态密度分布和吸收光谱分布.计算结果表明,高共掺In-N原子沿c轴取向成键的条件下,掺杂浓度越低,体系更稳定、带隙越窄、有效质量越小、迁移率越增加、相对自由空穴浓度越增加、电导率越增加、导电性能越理想.计算结果与实验结果相一致.这对设计和制备导电功能材料有一定的理论指导作用.     

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.     

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掺杂ZnO透明导电薄膜研究

本文分别采用磁控溅射技术与基于密度泛函理论的平面波赝势方法两种方式, 对高价态差元素V掺杂ZnO薄膜进行研究. 实验研究结果表明: V的掺入并未改变ZnO的生长方式, 所制备的薄膜都呈(002)择优生长; 随着衬底温度增加, VZO薄膜的结晶质量逐步改善, 当衬底温度超过280 ℃时薄膜的结晶质量恶化; 在280 ℃时获得的VZO薄膜电阻率最低3.8×10^-3 Ω·m, 500-2000 nm平均透过率高于85%. 理论模拟结果表明: V以替位形式掺入ZnO六角纤锌矿晶格结构中, 费米能级进入导带, 材料表现出n 型半导体的特性, 导电电子主要由V 3d及O 2p电子轨道提供. 理论计算结果与实验结果的一致性, 表明VZO薄膜具有作为高效Si基薄膜太阳电池透明导电薄膜的应用潜力.     

GGA+U方法研究不同浓度镧(La)与氮(N)掺杂纤锌矿ZnO的光学性质

本文运用基于密度泛函理论的GGA+U方法,计算了纯ZnO体系,La、N单掺ZnO体系及Zn_(1-x)La_xO_(0.875)N_(0.125)(x=0.125,0.25,0.375)三个共掺体系的电子结构和光学性质.计算结果表明,共掺体系中随着La浓度的增加,掺杂后体系的禁带宽度变小,电子跃迁所需能量减小,晶格畸变程度增大,有利于阻碍光生空穴和电子对的复合,吸收光谱吸收带边红移程度越来明显,覆盖了整个可见光区域.这些特征非常有利地说明共掺体系随La浓度的增加,其光催化功能和电学性能也在提升.     

Al高掺杂浓度对ZnO导电性能影响的第一性原理研究

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,在同等环境条件下,建立了未掺杂和三种不同浓度的Al原子取代Zn原子的Zn_1-xAl_xO模型,然后分别对模型进行了几何结构优化、总态密度分布和能带分布的计算.结果表明:ZnO高掺杂Al的条件下,随掺杂Al原子浓度增大,进入导带的电子增多,电子迁移率减小,电导率减小,导电性能减弱;但是随高掺杂Al的浓度减小,反而使电子迁移率增大,电导率增大,导电性能增强.计算得到的结果与实验中Al原子 关键词： Al高掺ZnO 电导率 浓度 第一性原理     

GGA+U方法研究ZnO孪晶界对V_(Zn)-N_O-H复合体对p型导电性的影响

采用基于密度泛函理论的广义梯度近似平面波赝势方法,探究四种ZnO-Σ7(1230)孪晶界中V_(Zn)-N_O-H复合体的电子结构和p型导电机理.计算结果表明,在ZnO-Σ7(1230)孪晶界中,N掺杂后会与锌空位(V_(Zn))、氢填隙(Hi)等点缺陷结合,进而形成V_(Zn)-N_O-H复合体,并出现在孪晶中的晶格应变集中区.此外,四种孪晶界中孪晶GB7a有利于V_(Zn)-N_O-H离化能降低,从而使其表现出浅受主特征.分析显示特殊的孪晶结构导致了氮替位(N_O)与近邻的O原子间距离缩短,阴离子之间发生相互作用,导致禁带中的空带能级下降,降低了电子跃迁所需能量.这一结果也说明GB7a孪晶界中的V_(Zn)-N_O-H可能成为N掺杂ZnO材料的p型导电的来源之一.     

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.     

GGA+U方法研究C-Al掺杂GaN的电子结构和光学性质

本文用密度泛函理论的第一性原理,研究了C单掺、Al单掺、C-Al共掺GaN体系的电子结构及光学性质.通过分析发现,与本征GaN相比,掺杂后体系都发生了晶格畸变,其中C-Al共掺GaN体系,较容易形成且禁带宽度明显减小,形成了P型半导体,显著降低了电子跃迁所需要的能量;另外,该共掺体系的静介电常数最大,极化能力最强,介电虚部的主峰向低能区域偏移,并且吸收光谱在可见光范围内产生了红移现象,这都体现了C-Al共掺可以拓展GaN体系对可见光的响应范围.因此,C-Al共掺将有望提高GaN体系的光催化性能.     

Al高掺杂浓度对ZnO禁带和吸收光谱影响的第一性原理研究

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法, 建立了未掺杂与不同浓度的Al原子取代Zn原子的两种Zn_1-xAl_xO超胞模型,分别对模型进行了几何结构优化、态密度分布和能带分布的计算. 结果表明: ZnO高掺杂Al的条件下, 掺杂的Al原子浓度越大,间隙带越窄, 蓝移越弱. 计算结果和实验结果相一致.     

GGA+U方法研究不同浓度Cr掺杂对TiO2的磁性和光学性质的影响

本文采用基于第一性原理的GGA+U方法,计算研究了本征态锐钛矿TiO2和不同浓度Cr掺杂锐钛矿TiO2(1/8、1/16、1/32)的电子结构、磁性及光学性质。计算结果表明：所有掺杂体系中Ti0.9375Cr0.0625O2的结合能最小,因此Ti0.9375Cr0.0625O2体系的稳定性要高于Ti0.875Cr0.125O2、Ti0.96875Cr0.03125O2体系;Cr元素的掺入导致掺杂后体系发生晶格畸变,这有利于光生空穴和电子对的分离,提高其光催化性能;同时,由于Cr-3d和O-2p电子相互作用,使得掺杂体系呈现出铁磁性质,并且随着掺杂浓度的增加会使体系具有更好的铁磁性质;掺杂体系与本征TiO2相比,掺杂后吸收带边均发生红移,光谱响应范围变大;并且随掺杂浓度的增加,光响应范围也在增大,从而有效增强了体系对于可见光的吸收能力。     

ZnO高掺杂Ga的浓度对导电性能和红移效应影响的第一性原理研究

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方法,在相同环境条件下建立了浓度不同的由Ga原子取代Zn原子的Zn_1-xGa_xO模型.对低温高掺杂Ga原子的Zn_1-xGa_xO半导体的能带结构、态密度和吸收光谱进行了计算.结果表明:Ga原子浓度越大,进入导带的相对电子数越多,但是电子迁移率反而减小.通过对掺杂和未掺杂ZnO的电导率以及最小间隙带宽度分别进行了比较 关键词： ZnO高掺杂Ga 电导率 红移 第一性原理     

Mn高掺杂浓度对ZnO禁带宽度和吸收光谱影响的第一性原理研究

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法, 建立了未掺杂与不同浓度的Mn原子取代Zn原子的三种Zn_1-xMn_xO超胞模型, 分别对模型进行了几何结构优化、态密度分布、能带分布和吸收光谱的计算. 结果表明: 电子非自旋极化处理的条件下, Mn掺杂浓度越小, ZnO形成能越小, 掺杂越容易, 晶体结构越稳定; Mn的掺入使得ZnO体系的杂质能带和导带发生简并化, 并且导带底和价带底同时向低能方向移动, 掺杂后的导带比价带下降得少导致禁带宽度变宽, ZnO吸收光谱明显出现蓝移现象, 计算结果和实验结果相一致. 同时, 电子自旋极化处理的条件下, 体系有磁性, 吸收光谱发生红移现象. 计算结果与相关实验结果相符合.     

Nb高掺杂量对锐钛矿TiO2导电和光学性能影响

目前, 在Nb高掺杂量摩尔数分别为0.050和0.0625的条件下, 对掺杂体系锐钛矿TiO₂电阻最低存在相反的两种实验结果都有文献报道. 为解决这个矛盾, 本文采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法, 计算了纯的单胞和三种不同Nb高掺杂量对锐钛矿Ti_1-xNb_xO₂ (x=0.03125, 0.050, 0.0625)超胞的能带结构分布、态密度分布和光学性质. 结果表明, 在本文限定掺杂量的条件下, Nb掺杂量越增加, 掺杂体系的体积越增加, 总能量越升高, 稳定性越下降, 形成能越升高, 掺杂越难, 相对自由电子浓度越增加, 电子有效质量越增加, 电子迁移率越减小, 电子电导率越减小, 最小光学带隙越变宽, 吸收光谱和反射率向低能方向移动越显著, 透射率越增加. 计算结果与实验结果相吻合.     

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.     

Li掺杂ZnO纳米棒的导电和发光特性(英文)

利用气相输运方法,在(111)面硅衬底上制备了名义上原子数分数为2%的Li掺杂的ZnO纳米棒(样品A)。作为比较,我们在相同的生长条件下制备了没有任何掺杂的ZnO纳米棒(样品B)。XRD分析测试表明:样品A和样品B中的ZnO纳米棒具有纤锌矿六边形结构,没有其他氧化物,例如Li2O。Hall效应测量表明:样品A导电类型为p型,空穴载流子浓度为6.72×1016cm-3,空穴载流子迁移率为2.46 cm2.V-1.s-1。样品B为n型,电子载流子浓度为7.16×1018cm-3,电子载流子迁移率为4.73 cm2.V-1.s-1。低温光致发光光谱测试表明,样品A和样品B发光峰明显的区别是位于3.351 eV(样品B)和3.364 eV(样品A)处。根据文献报道,在没有掺杂的ZnO中,3.364 eV发光峰源于施主束缚激子发光。通过变温光致发光光谱的测试,证明了在样品A中,位于3.351 eV的发光峰源于受主束缚激子发光,其光学受主能级位于价带顶142meV处。     

Co掺杂对ZnO薄膜结构和性能的影响

采用PVA溶胶-凝胶方法，在玻璃衬底上制备了Zn_1-xCo_xO薄膜，利用X射线衍射仪(XRD)研究了不同Co含量对其微结构的影响.采用振动样品磁强计(VSM)测量了Zn_0.88Co_0.12O样品室温下的磁性.采用荧光光谱仪研究了Zn_1-xCo_xO样品室温下的发光特性，分析掺杂含量对其发光性能的影响，发现随着掺杂含量的增加，蓝光发光峰有一定的红移现象. 关键词： PVA方法 ZnO 掺杂     

基于择优掺杂取向研究Y掺杂量对ZnTe电子结构和吸收光谱的影响

Zn Te由于其特有的禁带宽度,光学性质以及可重掺杂等特性,使得众多学者对其进行了系列的相关研究,但关于Y掺杂浓度和掺杂方式对Zn Te性质的影响却鲜有报道.作者采用密度泛函理论框架下的广义梯度近似方法,分别计算了Y在掺杂浓度为1.56at%、3.12at%、4.69at%下Zn Te的几何结构、能带结构、态密度分布、吸收光谱等性质,以及不同掺杂方式对体系的影响.结果表明:在掺杂浓度为3.12at%,掺杂方式不相同时,掺杂原子沿[111]晶向排布的形成能最低,即[111]晶向为择优晶向.当掺杂浓度为4.69at%时,择优晶面为(111)面.若要实现更高浓度的Y掺杂,沿(111)晶面掺杂更容易实现.对于实验而言,更高浓度的Y掺杂,掺杂原子在Zn Te体系中更容易沿(111)晶面进行集中排列. Y掺杂Zn Te后,体系的禁带宽度变大,吸收光谱发生蓝移,对可见光的吸收强度减小.在浓度为3.12at%时禁带宽度最大,蓝移现象最明显,吸收强度最小. Y掺杂后体系变为n型半导体,可以使用这种掺杂方式制作P-N结二极管．     

退火处理对ZnO薄膜晶体结构和导电性能的影响

利用直流反应磁控溅射法在硅衬底上沉积C轴择优取向的ZnO晶体薄膜,将该样品进行退火处理,并测量了样品的导电性能,结果显示退火处理可以引起薄膜的重结晶,从而改善薄膜的结晶状况,改变薄膜中的化学配比.退火后样品的薄膜电阻相对较小,增加了薄膜中施主的浓度,增强了薄膜的导电性.