ZnO摻雜改性的第一性原理研究.pdf

1、與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的計(jì)算材料和材料設(shè)計(jì)是現(xiàn)代材料科學(xué)研究的重要方面，本論文應(yīng)用基于密度泛函理論的第一性原理方法和分子動(dòng)力學(xué)等計(jì)算材料科學(xué)方法對(duì)纖鋅礦ZnO中的幾個(gè)基本問題進(jìn)行了理論研究，包括以下五個(gè)方面：ZnO及其在壓力作用下的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)、ZnO的n型和p型摻雜機(jī)理、MxZn1-xO(M=Cd，Ca)合金機(jī)理、非磁性金屬摻雜ZnO基DMSs的磁性來源和機(jī)理、H吸附ZnO(10-10)表面的金屬化轉(zhuǎn)變等。 1、研究了本征Z

2、nO的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。(1)利用GGA近似計(jì)算了ZnO的能帶，ZnO為直接禁帶半導(dǎo)體材料，其帶隙為1.02eV。(2)計(jì)算了ZnO的介電函數(shù)、吸收系數(shù)等光學(xué)常數(shù)，并結(jié)合ZnO電子結(jié)構(gòu)信息和半導(dǎo)體帶間躍遷理論對(duì)上述光譜進(jìn)行了指認(rèn)和判別。(3)進(jìn)一步研究了壓力作用下ZnO的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，分析了壓力作用下藍(lán)移現(xiàn)象的機(jī)理。所得理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)相符。 2、研究了ZnO的n型、p型摻雜改性機(jī)理。計(jì)算了ZnO中單摻Ag、N等受主元素，

3、單摻Al、Ga等施主元素以及No-H共摻的電子結(jié)構(gòu)，并結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)方法研究了H在ZnO中的行為。結(jié)果表明：(1)Ga摻雜較Al摻雜具有更好的電導(dǎo)性，適合制備n型低阻ZnO。(2)單摻Ag形成深受主能級(jí)，單摻N會(huì)產(chǎn)生窄的深受主能級(jí)，局域化嚴(yán)重，導(dǎo)致?lián)饺氲腘原子活性差，單摻Ag和單摻N都不利于制備高質(zhì)量p型ZnO薄膜。(3)H是淺施主而且解溶度非常高，這是ZnO的n型導(dǎo)電性的起因。(4)No-H共摻改性計(jì)算表明，No-H形成能要低于N的形

4、成能，說明適量H有利于提高了N原子的固溶度，同時(shí)發(fā)現(xiàn)N被H鈍化，不利于p型摻雜。但是，H在ZnO中呈現(xiàn)熱不穩(wěn)定性，高溫退火處理No-H共摻ZnO薄膜可以獲得較高質(zhì)量的p型ZnO薄膜。以上計(jì)算結(jié)果很好地解釋了本組ZnO摻雜實(shí)驗(yàn)，并為獲得高質(zhì)量的n或p型ZnO提供了設(shè)計(jì)方案和理論基礎(chǔ)。 3、研究了MxZn1-xO(M=Cd,Ca)合金的電子結(jié)構(gòu)，從原子層次闡述了M摻雜ZnO的能帶調(diào)整機(jī)理。研究表明：(1)摻雜Cd導(dǎo)致ZnO禁帶寬度減

5、小，其機(jī)理是CdxZn1-xO價(jià)帶頂始終由O 2p占據(jù)，而導(dǎo)帶底部則由O2p、Cd 5s與Zn 4s的雜化軌道控制，隨著摻雜量x的增加，導(dǎo)帶底逐步下降，出現(xiàn)紅移效應(yīng)。(2)摻雜Ca導(dǎo)致ZnO禁帶寬度增加，其機(jī)理是CaxZn1-xO價(jià)帶頂仍由O2p占據(jù)，而導(dǎo)帶底部則Zn 4s控制，隨著摻雜量x的增加，導(dǎo)帶底逐步升高，出現(xiàn)藍(lán)移效應(yīng)。以上計(jì)算結(jié)果為ZnO合金的設(shè)計(jì)提供了有效的理論依據(jù)。　　　 4、研究了非磁性金屬(Cu和Ti)摻雜Zn

6、O基DMSs的電子結(jié)構(gòu)、磁性來源和磁性機(jī)理，尋找居里溫度高于室溫的新型ZnO基DMSs。研究表明：(1)非磁性金屬(Cu和Ti)摻雜ZnO具有室溫下鐵磁性基態(tài)，且Cu和Ti分別作為受主和施主出現(xiàn)。(2)采用磁性離子d電子間的交換作用模型即d-d雙交換模型解釋了非磁性金屬(Cu和Ti)摻雜ZnO基DMSs的磁性機(jī)理。(3)載流子濃度影響體系磁性，如O缺陷的生成會(huì)破壞ZnO基DMSs磁性。以上研究結(jié)果豐富了ZnO基DMSs的理論內(nèi)涵，提供了

7、制備新型ZnO基DMSs的思路，并被最近實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。 5、研究了ZnO(10-10)表面及其吸附H原子的幾何、電子結(jié)構(gòu)和電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。研究表明：(1)ZnO(10-10)表面弛豫后，Zn原子向體內(nèi)移動(dòng)幅度明顯，表面Zn-O二聚體發(fā)上扭曲。(2)ZnO(10-10)表面吸附H后空間電荷重新分布，導(dǎo)致ZnO(10-10)表面發(fā)生金屬化轉(zhuǎn)變。 本論文得到下列課題的支持：國家863納米專項(xiàng)課題(No.2003AA302160)和