金屬摻雜TiO2和ZnO的第一性原理研究.pdf

1、摻雜是改變半導(dǎo)體物理性質(zhì)的有效手段。將金屬或過渡金屬離子摻雜到Ti02和ZnO材料中可以引起電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的改變，使摻雜Ti02和ZnO具有不同于本征Ti02和ZnO的新特性，尤其使Ti02和ZnO的催化性能發(fā)生改變。目前，基于密度泛函理論的第一性原理計算方法是研究摻雜材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能的一種比較有效的方法。利用這種理論方法進行摻雜研究，不僅可以深入地了解材料的微觀幾何結(jié)構(gòu)及電子結(jié)構(gòu)，從理論上驗證一些實驗現(xiàn)象，預(yù)測材料的未知性能，

2、而且可以節(jié)約研究成本，這對科學(xué)地進行新材料研發(fā)具有不可估量的作用。
　　 利用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法，本論文對本征Ti02和ZnO及其摻雜進行模擬研究，具體從以下三個方面開展工作：
　　 首先，研究了本征Ti02和ZnO的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能，具體對能帶結(jié)構(gòu)、總態(tài)密度、分波態(tài)密度、介電函數(shù)、吸收系數(shù)等進行了理論分析。計算結(jié)果說明了金紅石型Ti02和ZnO是直接寬帶隙半導(dǎo)體，光吸收帶主要處于紫外光區(qū)域。利用金紅

3、石型Ti02和ZnO的電子結(jié)構(gòu)信息和帶問躍遷理論，對介電函數(shù)圖和吸收譜圖的各個峰值進行辨別和分析，為Ti02和ZnO材料的摻雜研究提供了理論依據(jù)。
　　 其次，本文計算了金屬元素Sn摻雜金紅石型Ti02的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能。計算中，分別討論三種不同的摻雜方式：①金屬元素Sn替代金紅石型Tri02中的Ti原子，②Sn以間隙原子的形式進入到金紅石型Ti02的Ti原子所組成的八面體的中心位置，③Sn替代金紅石型Ti02中的Ti原子，同

4、時晶胞中存在O空位。在最常見的摻雜方式①基礎(chǔ)上，本論文還討論了間隙和空位缺陷存在下的摻雜方式。研究表明：Sn替代Ti原子時的摻雜，其最外層電子對摻雜后體系的性能有很大影響，隨著Sn摻雜濃度的增加，摻雜體系的帶隙增大，但比本征金紅石型Ti02的帶隙?。籗n為間隙原子時的摻雜，相對本征金紅石型Ti02，摻雜后的帶隙變大；存在O空位Sn替代Ti時的摻雜，與本征金紅石型Ti02相比較，摻雜后的帶隙增大，但是位于帶隙間的導(dǎo)帶下方出現(xiàn)了一條新的缺陷

5、能帶，該能帶的存在可能有利于電子在價帶和導(dǎo)帶間的躍遷。同時，金屬元素Sn替代Ti原子時的摻雜，改變了金紅石型Ti02的介電函數(shù)、吸收系數(shù)、能量損失函數(shù)等光學(xué)性能。由吸收系數(shù)譜圖可知，Sn摻雜后金紅石型Ti02的光吸收帶發(fā)生紅移，這一計算結(jié)果與具體實驗現(xiàn)象相符合。
　　 本文計算了過渡金屬元素Mo摻雜金紅石型Ti02的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能。研究表明：過渡金屬離子Mo+4以替代方式摻雜金紅石型Ti02時，其次外層（d層）電子起主要作用

6、，隨著Mo摻雜濃度的增加，摻雜體系的帶隙減小。同時，研究發(fā)現(xiàn)：過渡金屬元素Mo摻雜改變了金紅石型Ti02的介電函數(shù)、吸收系數(shù)、能量損失函數(shù)等光學(xué)性能。由吸收系數(shù)譜圖可知，Mo摻雜后金紅石型Ti02的光吸收帶發(fā)生紅移，這一計算結(jié)果為Mo摻雜金紅石型Ti02提供了理論依據(jù)。
　　 最后，本文計算了過渡金屬元素Mn摻雜ZnO的幾何和電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性能。由計算結(jié)果可知，Mn摻雜后晶胞體積略有增大。通過能帶結(jié)構(gòu)和分波態(tài)密度的計算結(jié)果分析可