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ZnS及其掺杂体系的电子结构和光学性质计算与实验验证

李萍  
【摘要】:ZnS是一种宽禁带化合物半导体材料,具有闪锌矿和纤锌矿两种不同的结构,禁带宽度为3.68 eV。单纯ZnS材料自身存在一些不足,不利于它在光电子器件方面的应用,可以通过离子掺杂来改变其光电性能、提高发光质量、发光效率和扩展发射光谱范围。与计算机技术相结合的材料计算与设计是现代科学材料研究的重要手段,可以获取材料的微观信息,预测其宏观性质。本文中,我们采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势法计算了ZnS及其掺杂体系电子结构和光学性质,与共沉淀法制备获得的ZnS晶体材料的实验结果进行比较验证。论文主要内容如下: (1)计算了理想配比的ZnS和存在本征缺陷时的ZnS的电子结构和光学性质。计算结果表明,ZnS为直接带隙半导体,存在硫空位(Vs)缺陷时,带隙减小,晶胞内产生了未成键的两个电子在导带底形成深施主能级,存在锌空位(VZn)时在价带顶产生受主能级。光学性质的计算表明存在结构缺陷Vs和VZn时,晶体绝缘性增强,折射率、反射率和能量损耗函数都表现出与介电函数相对应的特征。通过改变前驱物滴加顺序得到的含不同缺陷的ZnS晶体,进行了吸收光谱和荧光光谱的表征,并与理论结果进行比较,吸收的变化与理论分析基本一致,其中430 nm附近的发光与Vs能级相关,随样品制备过程中Vs的数量而发生改变。 (2)对Zn_(1-x)Cd_xS三元混晶的电子结构和光学性质进行计算,讨论了x对Zn_(1-x)Cd_xS带隙和对其中的缺陷能级形成的影响机制,同时还计算了晶体存在结构缺陷Vs时的电子结构,分析了缺陷能级随x值的移动规律。共沉淀法制备了Zn_(1-x)Cd_xS三元混晶,并对其进行了退火处理,XRD图谱表明Cd~(2+)进入ZnS晶格替代Zn~(2+)形成了Zn_(1-x)Cd_xS合金相,吸收光谱测量显示了与理论计算相符的能带和吸收截止边的移动规律,荧光光谱显示与结构缺陷Vs相关的发射峰随着x的增大,从ZnS的435 nm红移到CdS的620 nm,与计算得到的Vs缺陷能级的移动规律相同。 (3)计算了Cu掺杂ZnS、Al掺杂ZnS和Cu、Al共掺杂ZnS的电子结构和光学性质。计算结果表明:Al掺杂能实现n-型金属ZnS,Cu掺杂ZnS后在价带顶提供空穴载流子。Cu和Al共掺状态下,由于激活受主Cu的加入,施主Al和受主Cu的相互吸引提高了掺杂物的结合度,从而提高施主掺杂浓度。通过共沉淀法制备的Cu-Al掺杂ZnS晶体,进行了荧光光谱和荧光衰减曲线的表征,结合计算的电子结构对光谱进行分析,认为掺Cu后503 nm的绿光来自Vs缺陷能级到铜锌替位(Cu_(Zn))的跃迁;掺Al后发光峰较纯ZnS有微小蓝移,是Al~(3+)替换Zn~(2+)之后,形成的铝锌替位(Al_(Zn))的施主能级较Vs缺陷能级要略高,易捕获导带的电子向价带跃迁产生发光;Cu,Al共掺样品中同时形成了Cu_(Zn)受主能级和AlZn施主能级,发光在490 nm附近。 (4)采用巯基乙酸(TGA)、聚乙烯醇(PVA)和r-巯丙基三甲基硅烷(MPS)等对ZnS及其掺杂纳米晶进行包覆和修饰,研究了修饰后的缺陷行为和荧光特性。


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