本文關鍵詞：硫化鋅中硫空位的第一性原理研究

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【摘要】：半導體材料中往往會出現(xiàn)缺陷,這些缺陷嚴重影響著材料的各種性質(zhì)。硫化鋅(ZnS)是一種寬帶隙材料,自從氧化鋅的廣泛應用以來,越來越多的人開始關注硫化鋅的性質(zhì),硫化鋅的帶隙為3.68eV和氧化鋅帶隙的帶隙3.44eV比較接近,所以硫化鋅和氧化鋅具有類似的性質(zhì),但肯定也有差異的地方。能源問題一直都是困擾當代學者的一個熱點,光催化制氫實驗的成功完成為本文提供了探索新方法的可能,有實驗表明,硫化鋅中若產(chǎn)生了硫空位后會大大提高它的光催化活性,甚至可以在可見光下制備氫氣,而空位正是晶體材料的一種本征缺陷。基于這一點,本文在此方面大量調(diào)研了國內(nèi)外對此的研究進展和現(xiàn)狀,對硫化鋅的硫空位這種缺陷作了詳細的第一性原理計算,得到了一些能夠解釋上述實驗的結果,同時對比了氧化鋅的相關計算結果。本文基于密度泛函理論,采用第一性原理方法討論了如下問題:(1)利用VASP軟件,從硫化鋅的纖鋅礦結構入手,首先對其晶格常數(shù)進行了優(yōu)化,得出用雜化泛函優(yōu)化得出的結果更接近理論值。然后對硫化鋅進行總能計算,進而計算了其幾種常見本征缺陷如硫空位SV,鋅空位ZnV,硫填隙iS,鋅填隙iZn的形成能,計算結果表明,在相同條件下,硫空位具有最低的形成能。同時,對這些本征缺陷在不同濃度下的形成能進行了分析,發(fā)現(xiàn)硫空位缺陷濃度越低,其形成能越大。另外,也對硫化鋅中的硫空位在不同濃度下的熱力學躍遷能級進行了計算,結果表明了濃度越大,熱力學躍遷能級越小。(2)本文著重對硫空位作了相關計算。首先,計算本征硫化鋅的帶隙和實驗值進行了對比,用PBE勢計算結果為2.09eV,HSE計算結果為3.25eV,都比實驗值小,這是計算方法的局限性造成了,并不影響下一步的分析。其次,本文分別對不同濃度下的不同帶電狀態(tài)的硫空位進行了能帶計算和態(tài)密度計算,引入帶電缺陷后,硫空位周圍的原子馳豫情況為帶正電的時候是向外擴張,不帶電的時候向內(nèi)收縮。此外,不同的帶電狀態(tài)將會在帶隙中間產(chǎn)生缺陷態(tài),缺陷的位置將隨著硫空位的濃度的變化而變化,而且會影響起帶隙的太小。為了解缺陷態(tài)是由哪些原子貢獻的,進一步作了Partialcharge計算,計算表明,缺陷能級一般是由缺陷周圍原子貢獻。(3)本文分別用了PBE和HSE對硫空位的電子結構的計算進行對比,對于帶電缺陷的計算,HSE顯得更優(yōu)越,因為有的缺陷態(tài)在用PBE計算的時候無法給出它的具體位置,常常對本文的分析造成干擾。(4)本文的核心是計算不同S空位濃度對其光催化性能的影響,通過HSE能帶計算,得出缺陷能級隨空位濃度變化的規(guī)律,由此繼續(xù)計算了其光學性質(zhì)表明,S空位濃度越大,其更容易發(fā)生光學吸收,進而具有更好的光催化活性。
【學位授予單位】：鄭州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN304

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