【摘要】：纖鋅礦結構的ZnO是一種新型的II-VI族氧化物半導體材料,禁帶寬度為3.37 eV,具有高達60 meV的激子束縛能,低介電常數,環(huán)保價廉,良好的光電性能和壓電特性,因此ZnO廣泛應用于光電器件方面,具有潛在的研究價值。本文采用基于密度泛函理論的第一性原理平面波超軟贗勢法,研究了本征ZnO體系,Mg、Cd單摻雜與共摻雜ZnO體系,Mg和不同濃度的Cd共摻雜ZnO體系,Cu、Cd單摻雜與共摻雜ZnO體系,從理論角度討論和分析了各體系的晶胞參數,電子結構(包括能帶結構、態(tài)密度)和光學性質(包括介電函數、光吸收譜、反射率和能量損失譜)。研究結果如下:1、Cd單摻雜ZnO會使晶胞體積變大,Mg單摻雜ZnO對體系的體積變化影響小,Mg/Cd共摻雜ZnO中,因Mg原子的摻雜存在,體系的結構穩(wěn)定性會更好;除此之外,Mg摻雜會使ZnO材料在可見光區(qū)域高能區(qū)域的光透性能更好,拓寬了ZnO材料的光譜;Cd摻雜會使ZnO體系的禁帶寬度減小,體系吸收帶邊發(fā)生明顯的紅移,在可見光區(qū)與高能區(qū)波段光的吸收能力和光的反射作用均下降;研究還發(fā)現:Mg和Cd共摻雜ZnO后,材料的透光率均比Mg、Cd單摻ZnO時材料的透光率高。2、Mg和不同濃度的Cd共摻雜ZnO后,體系的體積隨Cd的摻雜濃度越來越大,但體系穩(wěn)定性很好,帶隙值越來越小,說明控制Mg和Cd的摻雜濃度可以很好地調節(jié)ZnO材料的帶隙值范圍,這對工業(yè)方面研究可控性能材料方面具有很好的參考意義;研究還發(fā)現:Mg和不同濃度的Cd共摻雜ZnO,體系的吸收邊明顯出現紅移,在高能區(qū)波段光的吸收和反射作用減弱,而且隨Cd濃度的增加,體系在高能區(qū)波段光的吸收作用和反射率下降更明顯,結合能量守恒定律,說明材料的光透效果增強,這在透明材料太陽能電池以及紫外激光器件方面有很好的應用前景。3、Cu、Cd單摻雜均提高了ZnO的載流子濃度,改善了ZnO的導電性,摻雜體系的帶隙值也均減小;但與Cu、Cd單摻雜相比,Cu和Cd共摻雜ZnO時,體系晶胞結構更加穩(wěn)定,帶隙值更小,材料的導電性能更好。光學性質方面:Cd摻雜時,體系的吸收邊發(fā)生紅移,吸收系數減小;Cu單摻雜ZnO,體系在可見光和紫外波段吸收系數略微增大。但是當Cu和Cd共摻雜ZnO,體系對光吸收和反射作用下降,而且當Cd的摻雜濃度增大時,體系的禁帶寬度越來越小,對光的吸收和反射作用下降更明顯;結合Cu和Cd單摻雜的特性,說明當Cu和Cd共摻雜ZnO時,控制摻雜Cd的濃度,ZnO材料會呈現出不同效果的透光性能。因此控制Cu/Cd的比率來摻雜ZnO可用于制作不同效率的光透性材料。
【圖文】：

三種常見的ZnO晶體結構：（a）六方纖鋅礦結構；（b）六方閃鋅礦結構；（c）四方巖鹽礦結構

本征ZnO（2x2x2）的晶胞結構圖
【學位授予單位】：蘭州理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O472

【參考文獻】

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本文編號：2655381