自石墨烯被發(fā)現(xiàn)后,二維材料進(jìn)入人們的視線。隨著對二維材料的研究,相比于三維材料,二維材料的結(jié)構(gòu)差異使其具有很多獨(dú)特的優(yōu)異性能,繼而被廣泛關(guān)注。目前,隨著透明導(dǎo)電薄膜的發(fā)展,擁有高的可見光透射率和導(dǎo)電性是十分重要的。由于尺寸效應(yīng),新型的單層ZnO擁有更加獨(dú)特的性能,包含透射率增加,光學(xué)帶隙增大等。通過摻雜和吸附可以改變單層ZnO的結(jié)構(gòu)和性能,調(diào)節(jié)材料的導(dǎo)電性,使得單層ZnO具有很大的前景被應(yīng)用于透明電極材料和傳感器。本文采用密度泛函方法(DFT)對單層ZnO和摻雜金屬元素(Al、Ga和In)的單層ZnO進(jìn)行第一性原理研究。通過對摻雜后體系的結(jié)構(gòu),電學(xué)性能,光學(xué)性能和吸附性能進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,進(jìn)一步探索金屬元素?fù)诫s后結(jié)構(gòu)和性能的影響,并從電子層次上揭示摻雜作用的微觀機(jī)理。摻雜Al的單層ZnO的帶隙大于本征單層ZnO的帶隙,光學(xué)透光率增大,導(dǎo)電性增強(qiáng)。同時,與摻雜Al的ZnO體結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn),Al摻雜單層ZnO材料的透光性增強(qiáng),并具有很高的導(dǎo)電性。這些特征使得摻雜Al的ZnO單層材料可作為一種更具有前景的透明導(dǎo)電薄膜,應(yīng)用于光電器件。在此基礎(chǔ)上,對同一主族的金屬元素(Al,Ga和In)摻雜單層ZnO進(jìn)行對比。通過分析后發(fā)現(xiàn),當(dāng)Al、Ga和In的摻雜濃度低于12.5 at.%時,在可見光區(qū)域和紫外區(qū)域的平均透射率能達(dá)到99%。同時,摻雜后單層ZnO的導(dǎo)電性增強(qiáng)。特別地,在相同的條件下,低濃度的In摻雜單層ZnO具有更高導(dǎo)電性,在透明電極領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。此外,對單層ZnO的吸附性能進(jìn)行研究。二維材料由于具有特殊的結(jié)構(gòu)特性,能夠作為很好的氣體傳感器。研究表明CO分子能夠吸附在Al、Ga和In摻雜的單層ZnO表面。Al、Ga和In摻雜的單層ZnO在CO吸附后,帶隙變小,引入雜質(zhì)能級,增強(qiáng)單層ZnO和吸附氣體之間的相互作用,并在導(dǎo)帶底附近產(chǎn)生淺施主態(tài),載流子濃度增加,光學(xué)性能發(fā)生改變。
【學(xué)位單位】：哈爾濱理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TQ132.41
【部分圖文】：

通過利用膠帶剝離石墨。該研究組成功制備出第一種二維材料，具有單層原子厚度的石墨烯結(jié)構(gòu)，如圖1-1 (a) 所示。它具有由C原子通過sp2雜化形成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)——六角的平面展開，每一個角上存在一個碳原子，所有碳原子處于同一平面內(nèi)，這一獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，使得其具有優(yōu)異的力學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)性能[2-4]。(a) (b)圖 1-1 石墨烯的 (a) 結(jié)構(gòu)圖和 (b) 能帶圖Fig. 1-1 (a) The structure and (b) the band gap of graphene石墨烯具有很多優(yōu)異特性，使其具有廣泛的應(yīng)用價值。與此同時，石墨烯的幾何結(jié)構(gòu)同時也決定了具有狄拉克點(diǎn)結(jié)構(gòu)的零帶隙的電子結(jié)構(gòu)。如圖 1-1(b),價帶和導(dǎo)帶相交于布里淵區(qū) K 點(diǎn)處，使其帶隙為零[5]。這一特性限制石墨烯在光電半導(dǎo)體器件方面、邏輯電路方面和電子器件等方面的應(yīng)用，所以人們嘗試摻雜、施加外電場等方式實(shí)現(xiàn)對能帶的調(diào)節(jié)[6-8]。但采用這些技術(shù)在增加工藝的同時，也只能在一定程度內(nèi)提高禁帶寬度，離實(shí)際應(yīng)用存在一定的距離。另一方面，在電子結(jié)構(gòu)變化的過程中，影響其性能，引入新的問題，比如降低載流子的遷移率[9]。因此

對于GaN 等半導(dǎo)體材料成本更低，且容易生長。在通常情況下，為六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)。ZnO 結(jié)構(gòu)中每個 Zn 原子周圍存在4個 O 原子，同樣在每個 O 原子附近存在4個 Zn 原子，如圖1-2。這種纖鋅礦結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定相結(jié)構(gòu)，也是應(yīng)用最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)，本文將在纖鋅礦 ZnO 的基礎(chǔ)上進(jìn)行探究。ZnO 在常溫下具有寬帶隙 (3.37 eV)、高激子束縛能 (60 meV) 和較大的壓電特性[10,11]。這些特性使得其很好的適用于發(fā)光二極管、透明電極、紫外探測器、太陽能電池和壓電器件等[12-14]應(yīng)用中。因此, ZnO 成為光電領(lǐng)域內(nèi)研究的熱點(diǎn)。圖 1-2 纖鋅礦 ZnO 的結(jié)構(gòu)圖Fig. 1-2 The structure of wurtzite ZnO近幾年來，Al 摻雜 ZnO (AZO) 由于 Zn 和 Al 的含量豐富，在可見光傳輸特性好，被認(rèn)為是太陽能電池和平板顯示器等光電器件中透明電極材料的最佳候選材料之一[15,16]。ZnO 材料的導(dǎo)電性低，使其不易用于光電池領(lǐng)域。為此，人們采用不同方式提高 ZnO 材料的光電性能[17]。其中，摻雜是一種很有效的轉(zhuǎn)變 ZnO 材料的物性和提高光電性能的手段。Ng[18]研究組利用溶膠-凝膠技術(shù)發(fā)現(xiàn) Ga 和 Al 摻雜 ZnO 在 370-800 nm 的波長范圍內(nèi)透射率約為 90 %

在對材料進(jìn)行摻雜前，首先對體結(jié)構(gòu) ZnO 材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解。體結(jié)構(gòu)ZnO 結(jié)構(gòu)是纖鋅礦結(jié)構(gòu)。在本文里，采用 2×2×2 的超晶胞結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化后，如下圖3-1所示。整個計(jì)算過程采用的Materials studio 軟件中的CASTEP模塊。采用廣義梯度近似（GGA）交換相關(guān)勢能函數(shù) (PBE) 贗勢對交換關(guān)聯(lián)能進(jìn)行近似。在整個計(jì)算過程中，相同的體系采用相同的計(jì)算精度，以及相同的參數(shù)設(shè)置。對于體結(jié)構(gòu) ZnO 來說，在布里淵區(qū)中使用 Monkorst-Pack 4×4×2 的 k網(wǎng)格點(diǎn)[53]。平面波截?cái)嗄転?400 eV, 晶體的內(nèi)應(yīng)力不大于 0.1Gpa，能量和力的收斂精度分別為 10-6eV 和 0.02 eV/ 。本征的體結(jié)構(gòu) ZnO 的 Zn-O 鍵長為 2.01 。晶格常數(shù)分別為：a=3.313 ，c=5.329 ，與實(shí)驗(yàn)值數(shù)據(jù)很相近 (a=3.249 ，c=5.206 )[54], 并與其他理論研究相符[55]。
【參考文獻(xiàn)】

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1 汪志剛;曾祥明;張楊;黃嬈;文玉華;;應(yīng)變調(diào)控單層氧化鋅能帶結(jié)構(gòu)的第一性原理研究[J];物理化學(xué)學(xué)報;2015年09期

2 李泓霖;張仲;呂英波;黃金昭;張英;劉如喜;;第一性原理研究稀土摻雜ZnO結(jié)構(gòu)的光電性質(zhì)[J];物理學(xué)報;2013年04期

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本文編號：2871643