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ZnO掺杂及表面吸附的第一性原理研究

张海峰  
【摘要】:ZnO作为一种新型多功能材料,在众多领域都有潜在的应用,比如说用作光电子器件、气体传感器、太阳能电池、光催化剂等等。近年来,随着材料理论计算软件的不断发展和深入,与计算软件相结合的材料计算与设计已经成为现代材料科学研究的重要手段。本论文就是通过基于密度泛函理论的第一性原理方法,对纤锌矿ZnO的体相和表面材料进行了相关的理论计算,具体内容如下: 1.计算了S掺杂ZnO体相材料的电子结构和光学性质。在模型设计方面考虑了S掺杂浓度(x=0%,2.78%,5.56%)、掺杂位置以及引入的本征缺陷(VZn、VO)对ZnO材料性质的影响。通过计算发现,S掺杂降低了ZnO的带隙宽度,使光学吸收边发生了轻微的红移。随着S掺杂浓度的增加以及掺杂位置的改变,其对ZnO电子结构和光学性质的进一步影响并不明显。光吸收系数表明,通过S掺杂引入的VO和VZn本征缺陷是提高ZnO光催化效率的关键。VO增强了S掺杂ZnO体系对紫外光的吸收,VZn拓展了S掺杂ZnO体系对可见光的吸收范围。 2.计算了ZnO四个常见低米勒指数表面的电子结构和光学性质,即非极性的(1010)、(1120)表面和极性的(0001)-Zn、(0001)-O表面。对于(1010)和(1120)表面,表面的Zn和O原子收敛程度不一致,导致了表面Zn-O二聚体发生倾斜和收缩。对于(0001)-Zn和(0001)-O表面,表面的Zn或O原子都向内部发生收缩,但是(0001)-O表面收缩的更加明显一些。上述四个表面的带隙宽度分别为:0.56eV、0.89eV、0.21eV和0.71eV。在这四个表面中,(0001)-Zn表面吸收边有最明显的红移现象,对太阳光有最高的利用率,这与实验中证实的优先暴露0001-Zn表面可以有效提高ZnO光催化效率是一致的。 3.计算了O2和H2O分子在ZnO (1010)表面上的吸附行为。计算结果显示,在我们所考虑的范围内,O2在ZnO (1010)表面上吸附的形成能都为正值,而H2O在ZnO(1010)表面上吸附的形成能都为负值。对于O2在ZnO (1010)表面上的吸附,最稳定的吸附构型为Oads1和Oads2刚好处于Znslab1和Znslab2的中间右斜上方位置,并且形成了Znslab1-Oads1-Oads2-Znslab2桥键。对于H2O在ZnO (1010)表面上的吸附,最稳定的吸附构型为Oads处于Znslab1和Oslab3的中间上方位置,同时H2O中的一个H原子与Oslab3形成氢键作用。 4.计算了Si原子在ZnO (0001)表面Top、T4和H3位点吸附的电子结构和光学性质。在模型设计中,我们考虑了Si原子在不同位点的吸附以及在相同吸附位点情况下覆盖度对表面性质的影响。在所考虑的Si/ZnO (0001)体系里面,当覆盖度为1/4时,Si原子优先吸附在T4位点。当覆盖度为2/4时,最稳定的构型是两个Si原子分别吸附在T4和H3位点。当继续增加覆盖度到3/4和4/4时,吸附的Si原子会在ZnO (0001)表面上形成Si3和Si4簇结构。Si原子吸附降低了Si/ZnO (0001)体系的带隙宽度,带隙的具体宽度和位置受吸附模型的影响,同样吸收系数也受吸附模型的影响。 5.对比研究了ⅢA族原子(B、Al、Ga、In)在ZnO (0001)表面Top、T4和H3位点吸附的形成能、电子结构和光学性质。计算结果显示B、Al、Ga和In原子在Top位点吸附的形成能是最高的,其次是T4和H3位点。不同的吸附位点导致同种原子吸附形成能的变化,但是这种变化的差值随着原子周期性的增加而减小。ZnO (0001)表面的电子结构变化对B、Al、Ga和In原子在Top位点的吸附不敏感,但是当它们吸附在T4和H3位点时,相应模型的价带上面出现了杂质态并导致模型带隙宽度变窄。光吸收系数显示B、Al、Ga和In原子在Top位点的吸附可以增加ZnO (0001)表面对低能区太阳光的吸收,但是Top位点对所吸附原子的种类不是很敏感。


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