La摻雜ZnO的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的第一性原理研究
發(fā)布時(shí)間：2021-07-31 04:18
ZnO作為一種新型的II-VI族直接禁帶半導(dǎo)體材料,在常溫常壓下具有3.37eV的禁帶寬度,60meV的高激子束縛能。憑借優(yōu)良的物理性能以及化學(xué)性質(zhì),在透明導(dǎo)電膜、光催化劑、太陽(yáng)能電池以及紫外半導(dǎo)體激光器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。稀土元素憑借獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和豐富的分離能級(jí),具有優(yōu)異的電子、光學(xué)和催化性能。目前稀土元素?fù)诫sZnO在光催化領(lǐng)域已進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)及理論研究,結(jié)果表明稀土元素的摻雜可以使能帶隙中產(chǎn)生雜質(zhì)能級(jí),通過(guò)調(diào)控ZnO的物理性能,擴(kuò)大帶隙的可見光響應(yīng),促使ZnO的發(fā)光特性發(fā)生改變,從而有效的增強(qiáng)ZnO半導(dǎo)體的光催化性能。因此,從理論上通過(guò)第一性原理的計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)La摻雜ZnO材料的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè),并從中證實(shí)稀土元素La摻雜的可行性。本文利用Materials Studio 2017中CASTEP模塊,采用基于密度泛函理論的第一性原理平面波超軟贗勢(shì)方法對(duì)不同La摻雜濃度以及La與本征缺陷復(fù)合共摻ZnO進(jìn)行了計(jì)算研究。構(gòu)建了（2×2×2）純ZnO、La:ZnO（6.25%）、2La:ZnO（12.5%）、La:ZnO+VZn和La:ZnO+V...
【文章來(lái)源】：中北大學(xué)山西省
【文章頁(yè)數(shù)】：80 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
六方纖鋅礦ZnO的晶體結(jié)構(gòu)
中北大學(xué)學(xué)位論文223La摻雜ZnO的GGA計(jì)算3.1收斂性測(cè)試在對(duì)ZnO超晶胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化之前，需要對(duì)ZnO原胞進(jìn)行收斂性測(cè)試，以獲取幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中兩個(gè)重要設(shè)置參數(shù)，即截?cái)嗄蹺cut和K點(diǎn)。截?cái)嗄埽‥cut）通過(guò)控制平面波基組的大小，來(lái)平衡計(jì)算速度和準(zhǔn)確性。K點(diǎn)則確定布里淵區(qū)域采樣的準(zhǔn)確性。3.1.1截?cái)嗄苓x取截?cái)嗄埽‥cut）的選�。侯A(yù)先構(gòu)建一個(gè)純ZnO原胞，選取K=4×4×4的網(wǎng)格。以步長(zhǎng)20eV為基礎(chǔ)，逐漸增加截?cái)嗄艿娜≈挡@取相應(yīng)的總能量。查看總能量的變化，直到dEtot/dlnEcut<1×10-5eV/atom（設(shè)定的能量收斂標(biāo)準(zhǔn)）為止�？偰芰渴諗壳�如圖3-1所示，當(dāng)截?cái)嗄蹺cut=380eV時(shí)曲線開始逐漸趨于平緩狀態(tài)，考慮到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精準(zhǔn)性及計(jì)算速度，本文的截?cái)嗄苋≈?20eV。圖3-1總能量收斂圖Figure3-1Totalenergyconvergencediagram
中北大學(xué)學(xué)位論文233.1.2K點(diǎn)選取K點(diǎn)網(wǎng)格的選�。哼x取3.1.1中測(cè)試好的固定截?cái)嗄?20eV，通過(guò)逐步改變K點(diǎn)網(wǎng)格的取值，即從粗糙逐漸到密集。以同樣的收斂標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，相應(yīng)的總能量收斂曲線如圖3-2所示，當(dāng)K=4×4×4時(shí)曲線開始逐漸趨于平緩狀態(tài)，可以滿足設(shè)定的收斂標(biāo)準(zhǔn)，因此本文的K點(diǎn)網(wǎng)格選取K=4×4×4。圖3-2總能量收斂圖Figure3-2Totalenergyconvergencediagram3.2理論模型為探究La摻雜濃度及本征缺陷對(duì)ZnO物理性能的影響，本文選取理想狀態(tài)下的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)ZnO晶體，其具有C6v-4對(duì)稱性，屬于P63mc空間群[52]。ZnO晶體中的Zn原子和O原子分別形成兩組相同的六方密堆積結(jié)構(gòu)晶格，兩組網(wǎng)格沿c軸偏移0.385c。晶格常數(shù)a=b=3.249，c=5.206，α=β=90°，γ=120°，其中c/a=1.602，小于理想六邊形密堆積結(jié)構(gòu)的1.633[53]，如圖3-3（a）所示�？紤]到摻雜對(duì)ZnO材料的影響，本文所有模型均使用基于原胞的相同尺寸（2×2×2）的超晶胞，其中純ZnO超晶胞中共包含16個(gè)Zn原子和16個(gè)O原子，如圖3-3（b）所示。利用元素替代法模擬La原子的晶體摻雜，利用Zn原子或O原子的缺失模擬鋅空位或氧空位，則其余四種摻雜超晶胞模型分
本文編號(hào)：3312753
【文章來(lái)源】：中北大學(xué)山西省
【文章頁(yè)數(shù)】：80 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
六方纖鋅礦ZnO的晶體結(jié)構(gòu)
中北大學(xué)學(xué)位論文223La摻雜ZnO的GGA計(jì)算3.1收斂性測(cè)試在對(duì)ZnO超晶胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化之前，需要對(duì)ZnO原胞進(jìn)行收斂性測(cè)試，以獲取幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中兩個(gè)重要設(shè)置參數(shù)，即截?cái)嗄蹺cut和K點(diǎn)。截?cái)嗄埽‥cut）通過(guò)控制平面波基組的大小，來(lái)平衡計(jì)算速度和準(zhǔn)確性。K點(diǎn)則確定布里淵區(qū)域采樣的準(zhǔn)確性。3.1.1截?cái)嗄苓x取截?cái)嗄埽‥cut）的選�。侯A(yù)先構(gòu)建一個(gè)純ZnO原胞，選取K=4×4×4的網(wǎng)格。以步長(zhǎng)20eV為基礎(chǔ)，逐漸增加截?cái)嗄艿娜≈挡@取相應(yīng)的總能量。查看總能量的變化，直到dEtot/dlnEcut<1×10-5eV/atom（設(shè)定的能量收斂標(biāo)準(zhǔn)）為止�？偰芰渴諗壳�如圖3-1所示，當(dāng)截?cái)嗄蹺cut=380eV時(shí)曲線開始逐漸趨于平緩狀態(tài)，考慮到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精準(zhǔn)性及計(jì)算速度，本文的截?cái)嗄苋≈?20eV。圖3-1總能量收斂圖Figure3-1Totalenergyconvergencediagram
中北大學(xué)學(xué)位論文233.1.2K點(diǎn)選取K點(diǎn)網(wǎng)格的選�。哼x取3.1.1中測(cè)試好的固定截?cái)嗄?20eV，通過(guò)逐步改變K點(diǎn)網(wǎng)格的取值，即從粗糙逐漸到密集。以同樣的收斂標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，相應(yīng)的總能量收斂曲線如圖3-2所示，當(dāng)K=4×4×4時(shí)曲線開始逐漸趨于平緩狀態(tài)，可以滿足設(shè)定的收斂標(biāo)準(zhǔn)，因此本文的K點(diǎn)網(wǎng)格選取K=4×4×4。圖3-2總能量收斂圖Figure3-2Totalenergyconvergencediagram3.2理論模型為探究La摻雜濃度及本征缺陷對(duì)ZnO物理性能的影響，本文選取理想狀態(tài)下的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)ZnO晶體，其具有C6v-4對(duì)稱性，屬于P63mc空間群[52]。ZnO晶體中的Zn原子和O原子分別形成兩組相同的六方密堆積結(jié)構(gòu)晶格，兩組網(wǎng)格沿c軸偏移0.385c。晶格常數(shù)a=b=3.249，c=5.206，α=β=90°，γ=120°，其中c/a=1.602，小于理想六邊形密堆積結(jié)構(gòu)的1.633[53]，如圖3-3（a）所示�？紤]到摻雜對(duì)ZnO材料的影響，本文所有模型均使用基于原胞的相同尺寸（2×2×2）的超晶胞，其中純ZnO超晶胞中共包含16個(gè)Zn原子和16個(gè)O原子，如圖3-3（b）所示。利用元素替代法模擬La原子的晶體摻雜，利用Zn原子或O原子的缺失模擬鋅空位或氧空位，則其余四種摻雜超晶胞模型分
本文編號(hào)：3312753
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