為提高AgSnO₂材料的導(dǎo)電性,對SnO₂材料進行摻雜研究。利用第一性原理,通過原子替代的方法,分別用Y、W元素單摻SnO₂以及共摻的形式,將SnO₂中的Sn元素以16.7%的比例進行原子替換,計算摻雜后SnO₂的晶格參數(shù)、能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和電荷布局。結(jié)果表明:摻雜后的SnO₂晶胞,體積增大。通過能帶和態(tài)密度分析得出,單摻與共摻之后的材料導(dǎo)帶底部和價帶頂部均向費米能級靠近,共摻后Y的4d軌道使導(dǎo)帶寬度變窄,Y的4d軌道和W的5d軌道同時作用,形成雜質(zhì)能級,幫助電子躍遷,導(dǎo)電性增強。共摻后原子的成鍵方式改變,新生成Y—O鍵和W—O鍵。共摻后的材料比單摻更能增加SnO₂的導(dǎo)電性,為之后AgSnO₂觸頭材料的研究提供了理論依據(jù)。 

【文章來源】：有色金屬工程. 2020,10(09)北大核心

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

晶胞模型：（a)SnO2晶胞模型；（b）單摻Y(jié)元素晶胞模型；（c）共摻Y(jié)-W元素晶胞模型

本征SnO2與摻雜后的SnO2能帶結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)圖2(a）可以分析出本征摻雜后的SnO2的帶隙為1.049eV。導(dǎo)帶部分為5～10eV，主要由Sn原子的5s與5p態(tài)作用形成峰值；價帶部分為-10～0eV，主要由Sn原子5s、5p態(tài)以及O原子2p態(tài)作用形成峰值；價帶部分為-20～-15eV，主要由Sn原子5s、5p態(tài)以及O原子2s態(tài)作用形成峰值。價帶頂端與倒帶底端都在G點，即本征SnO2為直接帶隙半導(dǎo)體材料。Sn摻雜元素Y后，如圖2(b）所示，能級數(shù)量明顯增多，帶隙減少，由此可以看出元素Y可以較好地調(diào)節(jié)SnO2帶隙值[19]。摻雜元素W后，帶隙值降低為0.423eV，帶隙值的降低有利于電子的躍遷。摻雜元素Y、W后，價帶與導(dǎo)帶更加緊密，并且導(dǎo)帶整體向下移動。共摻元素Y、W后，相對于圖2中其他3個圖，（d）圖的導(dǎo)帶下移部分更多，導(dǎo)帶與價帶更靠近費米能級。理論上，帶隙值降低為0.214eV，相對于單摻載流子從價帶躍遷到導(dǎo)帶需要的能量減少，從而共摻Y(jié)、W元素后的材料導(dǎo)電性提高。2.3 態(tài)密度分析

圖3為本征SnO2以及單摻元素Y、元素W和共摻元素Y、W的SnO2總態(tài)密度和分態(tài)密度。根據(jù)圖3(a）可知，價帶-22～-15eV的總態(tài)密度主要由O的2s軌道及Sn的5s、5p軌道貢獻能量，由于處在較遠能量范圍，因此對費米能級影響較�。粌r帶-10～0eV的總態(tài)密度主要由O的2p軌道貢獻能量，有少部分Sn的5s、5p軌道貢獻能量；在導(dǎo)帶部分4.28～18.09eV之間的總態(tài)密度主要由Sn的5s與5p軌道貢獻能量，O的2s與2p軌道貢獻少量能量。當(dāng)元素Y單摻雜時（圖3b），總態(tài)密度整體向高能級方向移動。遠離費米能級的價帶-20～-15eV影響忽略不計，價帶-8.66～0.57eV的總態(tài)密度主要由Sn的5s與5p軌道提供，其中O的2p軌道在-2.5～0.57eV貢獻能量出現(xiàn)波峰。通過費米能級附近的能量變化判斷，導(dǎo)帶向費米能級靠近，離域性減弱。導(dǎo)帶部分在2.5～8eV處，出現(xiàn)波峰，是因為Y的4d軌道作用提供大量能量，同時Sn的5s、5p軌道提供少量能量。當(dāng)元素W摻雜時（圖3c），與摻雜元素Y相比，能帶范圍變大，但由于價帶部分-80～-40eV對導(dǎo)電性能影響不大，忽略不考慮。導(dǎo)帶部分向費米能級移動程度更多，主要是由于元素W的5d軌道貢獻，禁帶寬度變窄。當(dāng)元素Y與W共摻時（圖3d），導(dǎo)帶由于W的5d軌道與Y的4d軌道同時貢獻，使禁帶寬度比單摻元素Y與W更窄，同時軌道雜化，生成新的雜質(zhì)能級，增加原子間相互作用，局域性相比最弱，使摻雜后的材料導(dǎo)電性增強，與能帶分析結(jié)果相同。2.4 電荷布局分析


本文編號：3534539