掺杂ZnO电子结构与光学性质的第一性原理研究

论文摘要

纤锌矿结构的ZnO是一种新型的II-VI族氧化物半导体材料,禁带宽度为3.37 eV,具有高达60 meV的激子束缚能,低介电常数,环保价廉,良好的光电性能和压电特性,因此ZnO广泛应用于光电器件方面,具有潜在的研究价值。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法,研究了本征ZnO体系,Mg、Cd单掺杂与共掺杂ZnO体系,Mg和不同浓度的Cd共掺杂ZnO体系,Cu、Cd单掺杂与共掺杂ZnO体系,从理论角度讨论和分析了各体系的晶胞参数,电子结构（包括能带结构、态密度）和光学性质（包括介电函数、光吸收谱、反射率和能量损失谱）。研究结果如下:1、Cd单掺杂ZnO会使晶胞体积变大,Mg单掺杂ZnO对体系的体积变化影响小,Mg/Cd共掺杂ZnO中,因Mg原子的掺杂存在,体系的结构稳定性会更好;除此之外,Mg掺杂会使ZnO材料在可见光区域高能区域的光透性能更好,拓宽了ZnO材料的光谱;Cd掺杂会使ZnO体系的禁带宽度减小,体系吸收带边发生明显的红移,在可见光区与高能区波段光的吸收能力和光的反射作用均下降;研究还发现:Mg和Cd共掺杂ZnO后,材料的透光率均比Mg、Cd单掺ZnO时材料的透光率高。2、Mg和不同浓度的Cd共掺杂ZnO后,体系的体积随Cd的掺杂浓度越来越大,但体系稳定性很好,带隙值越来越小,说明控制Mg和Cd的掺杂浓度可以很好地调节ZnO材料的带隙值范围,这对工业方面研究可控性能材料方面具有很好的参考意义;研究还发现:Mg和不同浓度的Cd共掺杂ZnO,体系的吸收边明显出现红移,在高能区波段光的吸收和反射作用减弱,而且随Cd浓度的增加,体系在高能区波段光的吸收作用和反射率下降更明显,结合能量守恒定律,说明材料的光透效果增强,这在透明材料太阳能电池以及紫外激光器件方面有很好的应用前景。3、Cu、Cd单掺杂均提高了ZnO的载流子浓度,改善了ZnO的导电性,掺杂体系的带隙值也均减小;但与Cu、Cd单掺杂相比,Cu和Cd共掺杂ZnO时,体系晶胞结构更加稳定,带隙值更小,材料的导电性能更好。光学性质方面:Cd掺杂时,体系的吸收边发生红移,吸收系数减小;Cu单掺杂ZnO,体系在可见光和紫外波段吸收系数略微增大。但是当Cu和Cd共掺杂ZnO,体系对光吸收和反射作用下降,而且当Cd的掺杂浓度增大时,体系的禁带宽度越来越小,对光的吸收和反射作用下降更明显;结合Cu和Cd单掺杂的特性,说明当Cu和Cd共掺杂ZnO时,控制掺杂Cd的浓度,ZnO材料会呈现出不同效果的透光性能。因此控制Cu/Cd的比率来掺杂ZnO可用于制作不同效率的光透性材料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 氧化锌的基本性质及研究现状
•     1.2.1 氧化锌的晶体结构
•     1.2.2 氧化锌的基本物理特性
•     1.2.3 氧化锌的光电性质
•     1.2.4 氧化锌的研究现状
•   1.3 理论依据和计算方法
•     1.3.1 第一性原理方法简述
•     1.3.2 能带理论
•     1.3.3 掺杂体系光学性质相关理论
•   1.4 本文研究的内容和创新点
•     1.4.1 本文研究内容
•     1.4.2 本文创新点
• 第2章 Mg、Cd单掺杂ZnO电子结构与光学性质的研究
•   2.1 理论模型和计算方法
•     2.1.1 超晶胞模型构建
•     2.1.2 计算优化方法
•   2.2 Mg、Cd单掺杂ZnO体系电子结构分析
•     2.2.1 掺杂体系晶胞参数分析
•     2.2.2 掺杂体系能带结构分析
•     2.2.3 掺杂体系态密度分析
•   2.3 Mg、Cd单掺杂ZnO体系光学性质分析
•     2.3.1 介电函数图分析
•     2.3.2 吸收图分析
•     2.3.3 反射率图分析
•   2.4 结果与讨论
• 第3章 不同浓度Mg/Cd共掺杂ZnO电子结构与光学性质的研究
•   3.1 不同浓度Mg/Cd共掺杂ZnO电子结构分析
•     3.1.1 晶胞参数分析
•     3.1.2 能带结构分析
•     3.1.3 态密度分析
•   3.2 不同浓度Mg/Cd共掺杂ZnO光学性质分析
•     3.2.1 介电函数图分析
•     3.2.2 吸收图像分析
•     3.2.3 反射率与能量损失图分析
•   3.3 结果与讨论
• 第4章 Cu/Cd共掺杂ZnO电子结构与光学性质的研究
•   4.1 理论模型和计算方法
•     4.1.1 超晶胞模型构建
•     4.1.2 计算优化方法
•   4.2 Cu/Cd共掺杂ZnO体系晶胞参数与电子结构分析
•     4.2.1 晶胞参数分析
•     4.2.2 能带结构和态密度分析
•   4.3 Cu/Cd共掺杂ZnO体系光学性质分析
•     4.3.1 介电函数图分析
•     4.3.2 吸收图像分析
•     4.3.3 反射率图分析
•   4.4 结果与讨论
• 第5章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 薛晓峰

导师: 李维学

关键词: 共掺杂,第一性原理,电子结构,态密度,光学性质

来源: 兰州理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 兰州理工大学

分类号: O472

总页数: 59

文件大小: 2759K

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