納米結(jié)構(gòu)氧化鋅材料光電性能的研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)材料是一種自激活寬禁帶半導體材料，具有六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)，室溫下禁帶寬度為3.37eV，激子結(jié)合能更是達到60meV。它具有優(yōu)異的光電性能，在很多領域得到廣泛應用，諸如:紫外探測器、發(fā)光二極管、激光器、表面聲波器件、太陽能電池等等。本論文將以ZnO為基材料，采用基于密度泛函理論第一性原理的全電勢線性綴加平面波法，在廣義梯度近似(GGA)下應用Wien2k軟件進行計算。
　　 首先，通過密度泛函理論的第一性原理計算超晶

2、胞結(jié)構(gòu)的ZnO晶體在不同的In摻雜濃度下的電子態(tài)密度、能帶結(jié)構(gòu)以及光學性質(zhì)。計算結(jié)果表明:摻In后價帶上部分折疊態(tài)增加，帶隙寬度變窄，隨著摻雜量的增加，折射率、反射率及消光系數(shù)均有明顯變化，介電函數(shù)向高能量方向移動，而折射率、反射率、吸收系數(shù)、消光系數(shù)均向低能量方向移動。
　　 其次，通過改變摻入In元素的層數(shù)，研究摻雜后ZnO超晶格的電子結(jié)構(gòu)和光學性質(zhì)，包括光學介電函數(shù)虛部譜以及光學吸收譜、折射率、反射率。計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)In摻雜

3、ZnO超晶格后，費米能級進入導帶。介電函數(shù)虛部譜以及光學吸收譜、折射率、反射率都由于摻入In元素的5s電子之間的躍遷在低能級區(qū)域形成新的躍遷峰，并隨著摻雜層數(shù)的增多而發(fā)生紅移。與In摻雜ZnO超晶胞結(jié)構(gòu)相比，ZnO超晶格在摻入In原子后，材料在高能級區(qū)域的吸收系數(shù)和反射率明顯減小，可見光范圍內(nèi)的透過率變大。材料在摻雜兩層時，由于對稱性效應使得在低能級區(qū)域產(chǎn)生的新躍遷峰的峰值最大。
　　 第三，通過構(gòu)建ZnO納米面模型，研究本征態(tài)

4、ZnO和In摻雜ZnO納米面的電子結(jié)構(gòu)和光學性質(zhì)。通過對電子態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)的分析發(fā)現(xiàn)摻雜In元素后，體系出現(xiàn)了半金屬鐵磁性。與本征態(tài)ZnO的能帶結(jié)構(gòu)圖相比，In摻雜后ZnO納米面的能級向低能方向發(fā)生移動。對于光學性質(zhì)來說，ZnO納米面體系的吸收系數(shù)，折射率和反射率在In元素摻雜前后都比本征態(tài)ZnO的小，其在可見光范圍內(nèi)的透射率變大。由于In的摻入，吸收系數(shù)，折射率和反射率譜在費米面附近出現(xiàn)了新的躍遷峰。
　　 在ZnO納米面的

5、基礎上，我們還計算通過分別摻雜ⅢA元素B、Al、Ga、In來研究ⅢA元素對ZnO納米面光電性能的改變，計算體系的電子態(tài)密度、能帶結(jié)構(gòu)及電荷密度并與摻雜超晶胞ZnO的計算結(jié)果進行比較，研究隨著摻雜原子原子序數(shù)的增加，摻雜后體系性質(zhì)的變化趨勢。體系的帶隙隨著摻雜原子的原子序數(shù)的增大而增大，第三主族原子替代Zn位的情形的形成能都小于替代O位的形成能，并且隨著摻雜原子原子序數(shù)的增大而增大。Al摻雜ZnO納米面時，體系表現(xiàn)出半金屬的性質(zhì)和成為n型

6、半導體。Ga摻雜ZnO納米面后，體系變成具有很強自旋極化的金屬。In摻雜ZnO納米面后，類似與Al摻雜的情形，體系表現(xiàn)出半金屬的特性。由于In摻雜而出現(xiàn)的空穴電子態(tài)是自旋極化的并且導致了0.97μB的磁矩。
　　 最后，計算Ag和N元素摻雜前后ZnO(8，0)納米管的電子結(jié)構(gòu)和光學性質(zhì)。摻入Ag元素后體系變?yōu)閜型半導體材料。摻入N元素后，體系的帶隙隨著N摻雜濃度的增加而變大。摻入一個N原子時，體系的帶隙與Ag原子和N原子之間的距

7、離沒有關系。在介電函數(shù)虛部譜和反射率譜中，在可見光范圍內(nèi)出現(xiàn)了明顯的躍遷峰并且這個峰對于Ag1來說是來自Ag-4d電子態(tài)到Zn-4s電子態(tài)的躍遷而對于模型Ag1N2、Ag1N2,3,4和Ag1N3,4來說則是來自于Ag-4d電子態(tài)到N-2p電子態(tài)的躍遷。0.5到2.0eV范圍內(nèi)的介電函數(shù)虛部峰隨著N元素摻雜濃度的增加而發(fā)生紅移。對于反射率譜，摻雜后ZnO納米管在可見光范圍內(nèi)的反射率要小于本征塊體ZnO的反射率，說明體系在可見光范圍內(nèi)的透