氧化鋅（ZnO）是一種寬帶隙半導(dǎo)體材料,具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì),在發(fā)光二極管、氣體傳感器和太陽能電池等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。目前為止,ZnO光電材料的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究都慢慢走向成熟,而本征ZnO晶體結(jié)構(gòu)對稱性高,載流子少,性能相對單一穩(wěn)定,大大限制了其應(yīng)用范圍。近年來,摻雜ZnO由于帶隙可調(diào)制性和摻雜獲得的新穎效應(yīng)備受研究者青睞,因此通過原子摻雜來探索和開發(fā)ZnO材料的各種性能有著重要的科學(xué)意義,同時(shí)也為ZnO材料在微納電子器件中開展實(shí)際應(yīng)用提供巨大潛力。由于ZnO晶體中的化學(xué)鍵沒有離子晶體結(jié)構(gòu)中的化學(xué)鍵那么強(qiáng),導(dǎo)致了它的晶體結(jié)構(gòu)容易被摻雜原子所改變,相應(yīng)的光學(xué)和氣體吸附等特性也隨之被改善和拓展�；谠诠怆娮悠骷约皻怏w傳感等方面的應(yīng)用需求,在ZnO晶胞微結(jié)構(gòu)中引入理想的摻雜原子,可實(shí)現(xiàn)對其宏觀性能的改性、優(yōu)化和調(diào)控。本文主要基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法,研究了摻雜ZnO的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì),分析了金屬（Ag、Al）單摻和共摻對ZnO帶隙和光學(xué)性質(zhì)的影響;通過在ZnO單層結(jié)構(gòu)中引入缺陷,研究了氧空位缺陷的ZnO單層結(jié)構(gòu)對NO₂氣體吸附性能和NO

【文章來源】：西安石油大學(xué)陜西省

【文章頁數(shù)】：60 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

純ZnO(a)、Al摻雜ZnO(b)、Ag摻雜ZnO(c)和Ag-Al共摻雜ZnO(d)的XRD圖譜

1312222224()3hklhkhkldac++=+(3-2)其中a和c是晶格常數(shù)，dhkl是指數(shù)的晶面距離(hkl)。根據(jù)公式（3-2），對于(002)擴(kuò)散峰，晶格常數(shù)c等于2d。因此，純ZnO、Al摻雜ZnO、Ag摻雜ZnO和Ag-Al共摻雜ZnO的c值分別為5.192、5.197、5.210和5.198。圖3-1純ZnO(a)、Al摻雜ZnO(b)、Ag摻雜ZnO(c)和Ag-Al共摻雜ZnO(d)的XRD圖譜圖3-2幾何優(yōu)化后2×2×2的超胞結(jié)構(gòu)：(a)Ag摻雜ZnO；(b)Ag-Al共摻雜ZnO；紅色、藍(lán)色、綠色和粉色的球體分別代表O、Zn、Ag和Al原子Ag摻雜ZnO和Ag-Al共摻雜ZnO優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)模型，如圖3-2所示。構(gòu)建2×2×2的ZnO超晶胞模型，它由32個(gè)原子組成，其中包括16個(gè)Zn原子和16個(gè)O原子。ZnO中Zn原子被一個(gè)Al原子或者Ag原子取代，形成了Al摻雜ZnO、Ag摻雜ZnO和Ag-Al共摻雜ZnO。表3-1為幾何優(yōu)化計(jì)算后得到的晶格參數(shù)和摻雜形成能。GGA近似方法通常會(huì)高估體系的晶格常數(shù)，因此，表3-1中優(yōu)化后的ZnO晶格常數(shù)的計(jì)算值（a=3.282，c=5.295）遠(yuǎn)大于本征ZnO晶格常數(shù)的實(shí)驗(yàn)值[43]（a=3.249，c=5.207）。與純ZnO相比，Ag摻雜ZnO的晶格常數(shù)a和c略有增加，形成能為-2.415eV，說明體系相對不穩(wěn)定。此外，摻雜體系結(jié)構(gòu)發(fā)生了較小的畸變，這是由于Ag+的離子半徑（0.115nm）大于Zn2+

15態(tài)貢獻(xiàn)，價(jià)帶頂?shù)姆迨怯蒓-2p態(tài)貢獻(xiàn)。此外，O-2p態(tài)和Zn-3d態(tài)在-6.2~0eV范圍內(nèi)有很強(qiáng)的相互作用，形成了很強(qiáng)的Zn-O鍵。導(dǎo)帶底附近的峰是由Zn-4s態(tài)貢獻(xiàn)。體系帶隙的大小由O-2p態(tài)和Zn-4s態(tài)共同決定。對于Ag摻雜ZnO體系，-17.20eV處的峰來自于O-2s態(tài)貢獻(xiàn)。在-6.42~0eV范圍內(nèi)，價(jià)帶的態(tài)密度峰由O-2p、Zn-3d和Ag-4d態(tài)控制，表明軌道鍵相互作用增強(qiáng)。價(jià)帶頂附近由O-2p和Ag-4d兩種態(tài)貢獻(xiàn)，它們具有較強(qiáng)的相互作用。導(dǎo)帶主要由O-2p、Zn-4s和Ag-5s電子態(tài)作用，使得價(jià)帶和導(dǎo)帶的寬度增大。所以，價(jià)帶頂部的電子與導(dǎo)帶底部的空穴之間的躍遷更容易，從而導(dǎo)致帶隙減小，ZnO的導(dǎo)電性增加。Ag摻雜ZnO的費(fèi)米能級下移進(jìn)入價(jià)帶，形成p型半導(dǎo)體。對于Ag-Al共摻雜ZnO，-17.62eV處的峰值來自于O-2s、Zn-4s和Al-3p態(tài)的貢獻(xiàn)。從-6.81到-3.67eV的能帶主要由Zn-3d態(tài)控制，靠近價(jià)帶頂部的能帶主要由O-2p和Ag-4d態(tài)控制。O-2p態(tài)和Ag-4d態(tài)之間的強(qiáng)相互作用導(dǎo)致價(jià)帶的帶寬增加。Al-3p和Ag-5s在2.56到6.02eV范圍內(nèi)的電子態(tài)重疊增加，導(dǎo)致導(dǎo)帶的帶寬增大，從而使得體系的帶隙減校圖3-3能帶結(jié)構(gòu)圖：(a)純ZnO；(b)Al摻雜ZnO；(c)Ag摻雜ZnO；(d)Ag-Al共摻雜ZnO；費(fèi)米能級設(shè)為零能量并由粉紅色的水平細(xì)虛線表示與純ZnO體系相比，Ag摻雜體系的態(tài)密度整體向低能方向移動(dòng)，費(fèi)米能級向價(jià)帶方向移動(dòng)。Ag-4d和Ag-5s態(tài)的引入使Zn-3d態(tài)向價(jià)帶方向移動(dòng)，增加了價(jià)帶和導(dǎo)帶的寬度，減小了帶隙。摻Al后，費(fèi)米能級進(jìn)入導(dǎo)帶，態(tài)密度進(jìn)一步向能量低的方向移動(dòng)。對于Ag-Al共摻雜的ZnO，Al-3p和Ag-5s具有較強(qiáng)的相互作用，使得導(dǎo)帶變寬，態(tài)密度進(jìn)一步向能量低的方向移動(dòng)。另外，在價(jià)帶的高能區(qū)域，總態(tài)密度的變化趨勢不明顯。


本文編號：2898339