基于密度泛函理论的二氧化锡电学性质研究及其薄膜制备

【摘要】：二氧化锡(SnO_2)是一种宽禁带的半导体金属氧化物材料,因具有良好的气敏特性而得到广泛研究。目前,关于如何改善二氧化锡气敏性能已有大量的实验研究,但在理论计算研究相对而言比较少。近些年,由于理论基础的完善和高新计算机技术的发展,基于密度泛函的第一性原理的模拟计算方法,已成为计算材料科学研究中一种重要的研究手段。本文主要基于密度泛函理论对Zn掺杂二氧化锡和表面吸附氧机理进行了大量的研究和分析,同时利用磁控溅射的方法制备了二氧化锡薄膜并对其进行样貌表征分析研究。首先,创建了二氧化锡的晶体结构模型,通过计算结果分析二氧化锡的能带特性。并且采用原子替换方式,建立了不同锌掺杂浓度的二氧化锡晶体结构模型。分析计算得到的能带结构和态密度,发现对二氧化锡进行低浓度的锌掺杂能够减小能带带隙,增强导电特性,而当掺杂浓度大于25%时,二氧化锡晶体结构发生畸变,带隙增加,导电特性减弱。然后,研究分析了二氧化锡(110)表面结构模型,通过对不同氧空缺位置空位形成能的计算对比,确定二氧化锡(110)面最易失去表面桥位电子二配位的氧O_(2c),并以此得到二氧化锡(110)面还原结构模型。同时在二氧化锡还原(110)面建立氧气的两种吸附模型,分别为垂直吸附和平行吸附。对两种吸附结构前后的表面结构、态密度、电子集居数等结果分析可知,当氧气吸附在二氧化锡晶体表面接触时,电子均发生转移导致二氧化锡表面电阻值发生变化,以此揭示了二氧化锡的气敏机理。由计算得到的吸附能可知,最佳吸附方式是平行吸附,此时氧气以离子态的形式吸附在材料表面,电子转移量更大导致表面电阻变化更明显。最后,利用磁控溅射法制备二氧化锡薄膜,通过XRD和SEM两种方法对薄膜进行研究,分析得到退火温度及不同Zn掺杂浓度对溅射得到的薄膜表面结构影响。