La-N、Gd-N摻雜量對ZnO電.pdf

1、ZnO因其無毒、廉價、穩(wěn)定性好等特點，在工業(yè)上得到廣泛應用。氧化鋅(ZnO)作為直接禁帶半導體材料，室溫下禁帶寬度為3.37eV，激子束縛能為60meV，具有很好的化學穩(wěn)定性，在光電材料方面一直受到國內(nèi)外學術(shù)界的廣泛關(guān)注。
　　稀土元素具有豐富的電子組態(tài)，近年來其在半導體材料改性的研究中越來越受到關(guān)注。稀土元素單摻雜或與非金屬共摻雜ZnO將會顯著改變ZnO的電子結(jié)構(gòu)和光學性質(zhì)，從而影響其光催化性能。
　　本文基于第一性原理，

2、應用CASTEP（MS6.0）軟件包中的密度泛函理論（DFT），廣義梯度近似（GGA）下的平面波超軟贗勢方法（USP），建立了N/La分別單摻雜以及La-N、Gd-N共摻雜ZnO的模型，對各個模型進行幾何優(yōu)化后計算了每個模型的形成能，能帶分布，總態(tài)密度，分態(tài)密度，電子密度與吸收光譜。
　　計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，La、Gd、N分別單摻雜ZnO都在ZnO的禁帶區(qū)域產(chǎn)生雜質(zhì)能級，La、Gd摻雜產(chǎn)生的雜質(zhì)能級位于禁帶中間區(qū)域，N摻雜產(chǎn)生的雜質(zhì)能級

3、位于價帶頂且與價帶發(fā)生簡并。態(tài)密度分析表明：施主與受主能級分別由 La、Gd的4f態(tài)和N的2p態(tài)貢獻。隨La、Gd摻雜濃度的提高，施主能級向深能級方向移動，同時ZnO禁帶寬度略微變窄。隨N摻雜濃度的提高，受主能級變化不明顯，但禁帶寬度變窄。La-N、Gd-N共摻雜時，產(chǎn)生兩部分雜質(zhì)能級，分別由La、Gd的4f態(tài)和N的2p態(tài)貢獻。與單摻雜情況比較，受主能級與價帶簡并化更明顯，施主能級略微向淺能級移動，但仍處于禁帶中間區(qū)域，淺移化趨勢不明顯

4、。共摻雜濃度的提高使得施主能級向深能級移動，禁帶寬度進一步變窄。
　　結(jié)果表明：La、Gd、N分別單摻雜以及La-N、Gd-N共摻雜ZnO都使得吸收光譜發(fā)生紅移，其中共摻雜的紅移效果最好。通過形成能計算發(fā)現(xiàn)，共摻雜需要更多的能量，但摻雜體系形成后總能量低于單摻雜體系總能量，即結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。對電子結(jié)構(gòu)的分析發(fā)現(xiàn)共摻雜時，La-N、Gd-N間的吸引力使得La–Zn、Gd-Zn與N-O間的排斥力都減小，從而兩部分雜質(zhì)能級相對于單摻雜的情

5、況都向淺能級轉(zhuǎn)化，亦即載流子壽命提高。另一方面施主與受主能級分別成為電子和空穴的捕獲阱，使得電子空穴更不易復合而進一步提高了載流子壽命。這種 La-N、Gd-N共摻雜的協(xié)同效應使得ZnO的光催化性能增強。然而摻雜濃度的提高，雖然能使吸收光譜紅移更強，卻使得雜質(zhì)能級向深能級方向移動，根據(jù)半導體理論，深能級是有效的復合中心，這不利于載流子向表面的傳遞，降低了載流子壽命。綜上所述，La-N、Gd-N共摻雜制備的ZnO光催化劑優(yōu)于La、Gd、N