自石墨烯被發(fā)現(xiàn)后,二維材料進入人們的視線。隨著對二維材料的研究,相比于三維材料,二維材料的結構差異使其具有很多獨特的優(yōu)異性能,繼而被廣泛關注。目前,隨著透明導電薄膜的發(fā)展,擁有高的可見光透射率和導電性是十分重要的。由于尺寸效應,新型的單層ZnO擁有更加獨特的性能,包含透射率增加,光學帶隙增大等。通過摻雜和吸附可以改變單層ZnO的結構和性能,調節(jié)材料的導電性,使得單層ZnO具有很大的前景被應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進行第一性原理研究。通過對摻雜后體系的結構,電學性能,光學性能和吸附性能進行優(yōu)化計算,進一步探索金屬元素摻雜后結構和性能的影響,并從電子層次上揭示摻雜作用的微觀機理。摻雜Al的單層ZnO的帶隙大于本征單層ZnO的帶隙,光學透光率增大,導電性增強。同時,與摻雜Al的ZnO體結構進行對比后發(fā)現(xiàn),Al摻雜單層ZnO材料的透光性增強,并具有很高的導電性。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電薄膜,應用于光電器件。在此基礎上,對同一主族的金屬元素(Al,Ga和In)摻雜單層ZnO進行對比。通過分析后發(fā)現(xiàn),當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到99%。同時,摻雜后單層ZnO的導電性增強。特別地,在相同的條件下,低濃度的In摻雜單層ZnO具有更高導電性,在透明電極領域具有潛在應用。此外,對單層ZnO的吸附性能進行研究。二維材料由于具有特殊的結構特性,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,引入雜質能級,增強單層ZnO和吸附氣體之間的相互作用,并在導帶底附近產(chǎn)生淺施主態(tài),載流子濃度增加,光學性能發(fā)生改變。
【學位單位】：哈爾濱理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：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構，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構——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)，這一獨特的電子結構，使得其具有優(yōu)異的力學、光學和熱學性能[2-4]。(a) (b)圖 1-1 石墨烯的 (a) 結構圖和 (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，使其具有廣泛的應用價值。與此同時，石墨烯的幾何結構同時也決定了具有狄拉克點結構的零帶隙的電子結構。如圖 1-1(b),價帶和導帶相交于布里淵區(qū) K 點處，使其帶隙為零[5]。這一特性限制石墨烯在光電半導體器件方面、邏輯電路方面和電子器件等方面的應用，所以人們嘗試摻雜、施加外電場等方式實現(xiàn)對能帶的調節(jié)[6-8]。但采用這些技術在增加工藝的同時，也只能在一定程度內(nèi)提高禁帶寬度，離實際應用存在一定的距離。另一方面，在電子結構變化的過程中，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，為六角纖鋅礦結構。ZnO 結構中每個 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。這種纖鋅礦結構為穩(wěn)定相結構，也是應用最為廣泛的一種結構，本文將在纖鋅礦 ZnO 的基礎上進行探究。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]應用中。因此, ZnO 成為光電領域內(nèi)研究的熱點。圖 1-2 纖鋅礦 ZnO 的結構圖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 材料的導電性低，使其不易用于光電池領域。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 %

在對材料進行摻雜前，首先對體結構 ZnO 材料的結構進行了解。體結構ZnO 結構是纖鋅礦結構。在本文里，采用 2×2×2 的超晶胞結構，通過優(yōu)化后，如下圖3-1所示。整個計算過程采用的Materials studio 軟件中的CASTEP模塊。采用廣義梯度近似（GGA）交換相關勢能函數(shù) (PBE) 贗勢對交換關聯(lián)能進行近似。在整個計算過程中，相同的體系采用相同的計算精度，以及相同的參數(shù)設置。對于體結構 ZnO 來說，在布里淵區(qū)中使用 Monkorst-Pack 4×4×2 的 k網(wǎng)格點[53]。平面波截斷能為 400 eV, 晶體的內(nèi)應力不大于 0.1Gpa，能量和力的收斂精度分別為 10-6eV 和 0.02 eV/ 。本征的體結構 ZnO 的 Zn-O 鍵長為 2.01 。晶格常數(shù)分別為：a=3.313 ，c=5.329 ，與實驗值數(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】

相關期刊論文 前5條

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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結構的光電性質[J];物理學報;2013年04期

3 侯清玉;董紅英;迎春;馬文;;Al高摻雜濃度對ZnO禁帶和吸收光譜影響的第一性原理研究[J];物理學報;2012年16期

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5 張富春;張志勇;張威虎;閻軍峰;贠江妮;;AZO(ZnO:Al)電子結構與光學性質的第一性原理計算[J];光學學報;2009年04期

本文編號：2871643