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ZnO与ZnSb的第一性原理研究

韩二静  
【摘要】:第一性原理计算是以密度泛函理论为基础,将多电子体系转化为单电子的研究,通过求解薛定谔方程,得到材料的电子结构,使材料的计算从介观和原子层次深入到电子层次,这样就可以从本质上探讨材料的许多特性。因此,本论文就以第一性原理为主要研究方法,以ZnO、ZnSb为研究对象,以电子结构信息为基本点,从电子层面解释了研究对象的性质以及性能发生改变的理论机制。 ZnO是一种用途比较广泛的半导体材料,它的很多性能与其表面性质密切相关。但目前,对其各表面还没有比较全面的研究,因此本论文第三章就对其四个低指数表面((001)、(100)、(101)和(110)面)的电子结构进行比较系统的研究,从而得出它们不同的特性;掺杂是改善材料特性的主要方式,但对其表面掺杂后吸附的第一性原理研究不太多,目前还没有对其掺Cr后的O吸附的电子性能进行计算,本论文第四章就对此进行了研究;ZnSb作为一种比较有前途的半导体金属合金型热电材料,实验研究在掺杂Te后其半导体类型从P型转变为N型,但其转变机制不是很清晰,本论文第五章从电子层面进行了研究。 以上研究所得的主要结论如下: ①对ZnO的四个表面((001)、(100)、(101)和(110)面)的电子结构的计算,包括能带结构、态密度、电荷密度,得出(110)面能量最低、松弛幅度也最小、因此在四个面中相对比较稳定,(001)面仅次之;四个面均为直接帯隙,其中(101)面的禁带宽度最小,(110)面最大,禁带宽度越大,对应的电阻值越大,导电性越弱;ZnO四个表面的能态组成基本一致,即价带主要由Zn3d和O2p态形成,导带主要由O2p态贡献,不同之处在于各面形成的态密度及分波态密度的峰值大小、位置及个数;对于电荷密度,(001)与(100)两面的强度比其他两面要强,这说明了其成键能力以及电荷转移的潜能比较强。由于计算表面各优值不匹配,可通过掺杂来改善表面的综合性能。 ②未掺杂Cr时,对ZnO(001)表面的O吸附性能进行计算,得出吸附前后其态密度没有发生明显变化,电荷密度比较弱,吸附O与表面原子的电子转移也不多,说明纯的(001)表面对O吸附性能一般。 ③掺杂Cr后,(001)表面仍属于半导体类型,但带隙变窄,这有利于价带电子跃迁到导带,使其导电性增强,电阻降低;态密度的位置也发生了明显变化,有左移趋势;电荷密度明显增强。掺杂后吸附O前后的电子结构也发生了明显变化,费米能级的位置由最初靠近导带变为更接近价带,这表明有更多的价带电子跃迁到导带,并且吸附前后的电荷密度图以及电子转移图也证明了这一点,使得表面与吸附O之间发生更多的电子转移,两者相互作用增强,从而提高了ZnO表面对O的吸附性能。因此,掺杂Cr是提高ZnO吸附O气敏性能得以提高的一个途径。 ④建立了ZnSb掺杂不同浓度的Te的稳定的原子模型。纯的ZnSb为P型半导体,当掺杂Te浓度为1.56at%和2.34at%时,ZnSb则转变为N型。研究表明这是因为掺杂元素Te的s和p轨道电子,在导带底部形成了微弱的但可见的施主能级,从而使费米能级位于接近导带的位置,使其显示N型。当掺杂浓度升高到3.12at%时,ZnSb又转变为P型,是形成了新的P型化合物ZnTe的缘故。


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