發(fā)布時間：2020-05-28 15:08

【摘要】：本征ZnO是直接帶隙半導(dǎo)體材料,具有較寬的禁帶寬度、較高的自由激子束縛能、良好的透光性能以及較高的機電耦合系數(shù)和良好的導(dǎo)電性能等,在光學(xué)催化領(lǐng)域、透明導(dǎo)電薄膜、生物醫(yī)學(xué)以及光電子學(xué)等領(lǐng)域表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。但是,本征ZnO對可見光的利用率很低,只能利用到達地球表面的微量的紫外光,從而限制了它在光電子學(xué)領(lǐng)域的高效應(yīng)用。近幾十年來,科學(xué)家采用多種方法對雜質(zhì)原子摻雜ZnO進行了大量的研究。研究發(fā)現(xiàn),Co原子摻雜和Bi原子摻雜在一定程度上能夠改善本征ZnO的電子結(jié)構(gòu)、電磁性能和光學(xué)性能。但是,到目前為止,Co-Bi共摻雜對ZnO電子結(jié)構(gòu)和光電性能影響規(guī)律的理論研究還罕有報道,對Co摻雜和Bi摻雜對ZnO電子結(jié)構(gòu)和光電性能影響的作用機理的認(rèn)識還存在很多不足。因此,本文以Co、Bi為摻雜原子,利用第一性原理的方法研究Co摻雜、Bi摻雜和Co-Bi共摻雜對ZnO電子結(jié)構(gòu)和光電性能影響的作用機理。首先,采用第一性原理超軟贗勢方法,利用Materials Studio 8.0軟件包中的CASTEP模塊構(gòu)建了本征ZnO的超晶胞結(jié)構(gòu),并進行了收斂性計算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。計算了研究了其電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn),本征ZnO為直接帶隙半導(dǎo)體,禁帶寬度為0.743 eV。吸收邊為0.74 eV,與禁帶寬度相對應(yīng);在高能量區(qū)域有較強的吸收和反射性能,對可見光區(qū)的有效利用能力較弱。然后,分別用不同數(shù)量的Co和Bi原子原位替代Zn原子,計算和研究了摻雜ZnO體系的電子結(jié)構(gòu)和光電磁性能。研究發(fā)現(xiàn),Co摻雜ZnO后,導(dǎo)帶和價帶能級數(shù)量增多,且分布變得密集,態(tài)密度向低能方向移動。在費米能級處,Co摻雜ZnO的上自旋態(tài)和下自旋態(tài)具有明顯的非對稱性,摻雜體系表現(xiàn)出明顯的鐵磁性。在高能量區(qū)域吸收性能和反射性能減弱,光透過性能增強,在低能量區(qū)域的吸收系數(shù)和反射系數(shù)隨著Co原子摻雜量增多逐漸變強,光透過性能減弱。Bi摻雜ZnO的介電函數(shù)虛部峰值變大,并向低能量方向紅移;高能量區(qū)域的吸收峰、反射峰和能量損耗峰隨著摻雜原子的增多逐漸減小,透光性增強。最后,構(gòu)建了Co-Bi共摻雜ZnO的超晶胞結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn),Co-Bi共摻雜ZnO體系的能級變得更加彌散,定域性減弱,禁帶寬度展寬,價帶頂向低能量方向移動。CoBi-ZnO具有鐵磁性。CoBi-ZnO的介電峰值和吸收峰向低能方向發(fā)生紅移現(xiàn)象,在低能量區(qū)域的吸收系數(shù)和反射系數(shù)減弱,光透過性增強,能量損耗峰的位置與本征ZnO基本保持一致,但峰值明顯下降,增強了對光的有效利用。
【圖文】：

a)鹽巖型結(jié)構(gòu) b)閃鋅礦結(jié)構(gòu) c)纖鋅礦結(jié)構(gòu)a) Salt structures b) Blende structure c) Wurtzite structure圖 1-1 ZnO 的晶體結(jié)構(gòu)示意圖[31]Fig.1-1 The structures of ZnO[31]在本征氧化鋅的三種結(jié)構(gòu)中熱穩(wěn)定最好及最常見的是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。其中晶體結(jié)構(gòu)為立方閃鋅礦的本征氧化鋅的生長條件比較簡單，可以在立方系晶

圖 2-1 第一性原理計算基本思路Fig.2-1 The basic idea of the first-principle calculation method似似，及波恩-奧本海默 (Born-Oppenheimer)近似，，它的核
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O472

【參考文獻】

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本文編號：2685421