【摘要】：氧化鋅本身禁帶寬度為3.37 eV,激子結(jié)合能高達(dá)60 meV,且原料豐富,價(jià)格低廉,ZnO薄膜具有良好的透明導(dǎo)電性、壓電性、光電性、氣敏性、壓敏性等優(yōu)異的性質(zhì)使其在各行各業(yè)具有了廣泛的用途。而納米級(jí)別的氧化鋅是一種新型高功能精細(xì)產(chǎn)品,因其具有一些納米效應(yīng)而在許多領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。近年來,圍繞ZnO透明增透薄膜的研究在各個(gè)領(lǐng)域充分展開,尤其是關(guān)于不同元素的摻雜,但是大多集中在宏觀尺度�？紤]到納米薄膜在制備上存在一定的難度,因此氧化鋅納米薄膜的應(yīng)用受到一定的限制。為了對(duì)氧化鋅納米薄膜甚至是摻雜后的薄膜的性質(zhì)有所了解,因此本文中主要是應(yīng)用密度泛函理論的計(jì)算方法,從原子層次上通過控制氧化鋅薄膜的尺寸在納米厚度,來探討不同元素?fù)诫s對(duì)薄膜性質(zhì)的影響,以期為氧化鋅薄膜在光電器件上的發(fā)展提供理論指導(dǎo)和預(yù)測(cè)。隨后在結(jié)構(gòu)上選擇搭配以本身體積較小的光子晶體結(jié)構(gòu)來探索其性質(zhì)的變化,即結(jié)合基于傳輸矩陣法的Translight軟件,設(shè)計(jì)了B摻雜的氧化鋅納米薄膜和硅組合構(gòu)建的一維光子晶體多層膜結(jié)構(gòu),并通過參數(shù)(周期層數(shù)、單胞參數(shù)和填充比)的改變來探討不同參數(shù)設(shè)置對(duì)帶隙的影響規(guī)律。計(jì)算結(jié)果如下:(1)搭建的氧化鋅(0001)納米薄膜4層結(jié)構(gòu)為一個(gè)周期。通過從4層到24層表面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析,當(dāng)層數(shù)達(dá)到12層時(shí)其表面能已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)足夠穩(wěn)定的狀態(tài)�；谖�(A)、反射率(R)和透射率(T)的關(guān)系,即R+A+T=1,可以得出這樣的結(jié)論:透射率與反射率和吸收系數(shù)成反比。而ZnO納米薄膜的吸收和反射率均要比塊體相對(duì)較低。因此,薄膜的透射率要高于塊體,尤其是對(duì)于12層結(jié)構(gòu)。(2)在對(duì)12層結(jié)構(gòu)進(jìn)行摻雜不同元素(Al、B、Si、Ti)以后,以同樣的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理和分析,發(fā)現(xiàn)不同元素的摻雜對(duì)光學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律是不一樣的。首先四種不同元素替換鋅以后所得的結(jié)合能均為負(fù)值,表示替換后的體系均能夠穩(wěn)定存在。其次在可見光范圍內(nèi),Al和B摻雜的ZnO納米薄膜可以降低材料的吸收系數(shù),有被用作增透膜的潛力�？偟膩砜磁饟诫s所得氧化鋅納米薄膜透射系數(shù)最大,其導(dǎo)電性也要優(yōu)于塊體結(jié)構(gòu),這完全符合透明導(dǎo)電增透膜的要求。(3)將B摻雜的氧化鋅納米薄膜和硅組合成為一維光子晶體多層膜結(jié)構(gòu),并觀察不同單胞參數(shù)、周期層數(shù)以及填充比對(duì)帶隙的影響。結(jié)果表明:就周期層數(shù)來看,當(dāng)大于等于8后,帶隙的反射率幾乎已經(jīng)達(dá)到100%。因此在后續(xù)計(jì)算中我們選取周期數(shù)N=8。在其他參數(shù)一致的情況下,單胞參數(shù)的增大導(dǎo)致光子帶隙的寬度在明顯增寬,且其中心波長的位置向長波段方向移動(dòng),為了使帶隙盡可能覆蓋可見光波段,選取單胞參數(shù)為100 nm。隨著填充比增大,光子帶隙的中心波長同樣向長波長方向移動(dòng),并且?guī)兜膶挾冉?jīng)歷了一個(gè)先變寬后變窄的變化,因此一定要在保證帶隙的寬度以及所在波段的情況下選擇合適的填充比,這里選擇0.4。在這些參數(shù)下得到的結(jié)構(gòu)所得禁帶增寬到幾乎可以覆蓋整個(gè)可見光波段(421.65-728.40 nm)。
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB383.2;O734

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本文編號(hào)：2741222