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《广西大学》 2017年
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Er掺杂ZnO稳定性和光电性质的第一性原理研究

蒙之森  
【摘要】:ZnO是当今短波光电材料研究领域的热点,深入研究掺杂对光电子材料的稳定性和对光电性质的影响是十分必要的。本文利用第一性原理对ZnO:ErZn ZnO:(Erzn,No)掺杂体系的稳定性和光电性质进行了系统研究。主要研究内容如下:首先,对 ErxZn1-x(x=0,0.0625,0.1250,0.1875,0.2500)进行 了计算。计算结果表明:替锌位(ErZn)是掺杂Er的首选占据位置;晶格畸变和形成焓都随Er掺杂浓度的增大而增大,化合物越来越不稳定;掺杂Er使ZnO的禁带宽度变小,当掺杂浓度达到9.375 at.%和12.500 at.%时,禁带宽度出现起伏现象;在低浓度(3.125 at.%、6.250 at.%)掺杂Er时,张应变效应对带隙的减小作用大于掺杂Er对带隙的展宽效应而起主导作用,高浓度(9.375 at.%、12.500 at.%)掺杂Er时则相反,掺杂Er的带隙展宽效应起主导作用,使带隙不再进一步减小;随着Er浓度增加到9.375 at.%和12.500 at.%时,在红外光波段产生电子态跃迁而出现较强的光吸收;掺杂Er后,红外光和紫外光的穿透率降低,随Er浓度的增大,可见光的反射率减小,吸收率增大。其次,对纯ZnO、稀土元素Er单掺杂ZnO以及Er与本征缺陷复合掺杂ZnO体系进行了计算研究。计算结果表明:只有Er单掺杂及Er与受主型本征缺陷复合掺杂ZnO体系在(Zn-poor,Er-rich)环境条件下的形成能为负值,伴随Er掺杂ZnO引入的本征缺陷是受主型,而纯ZnO中通常存在的是施主型本征缺陷;掺入Er元素后在能带中引入了由Er-4f电子态形成的杂质能级,Er原子与受主型本征缺陷具有比较强的相互作用;光学性质上,当受主型本征缺陷引入到Er掺杂ZnO体系时,光吸收谱上出现了更多的吸收峰和两种不同的吸收边,Er原子与受主型本征缺陷相互作用是产生可见光区和红外区光吸收的重要原因之一。最后,对ZnO:(ErZn,No)共掺杂体系进行了计算研究。计算结果表明:N含量对ZnO:(Erzn,No)共掺杂体系晶体结构产生的影响小于Er含量;nErzn-No复合体缺陷的离化能总体高于Erzn-mNo复合体缺陷;Erzn-mNo型复合体缺陷是Er-N共掺杂ZnO过程中形成的缺陷复合体的主要形式;随着Erzn-mNo复合掺杂体系中N浓度的增大,禁带宽度增大,N-2p与Zn-3d态的杂化作用逐渐增强,Er-4f态的局域化程度增强,与Zn-3d态的杂化作用减弱,使价带顶向高能方向移动;光吸收谱的吸收边出现不同程度的红移现象;ErZn-mNo(m=2,3,4)对应的εi(ω)曲线在红外光区域存在明显的峰值,随着N摻杂浓度的增大,峰值越大,在红外光区域里出现了明显的光吸收现象。
【学位授予单位】:广西大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O469

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