MgO與ZnO基納米材料的理論研究.pdf

1、與體結(jié)構(gòu)相比，一維納米線材料的性質(zhì)受更多因素的影響，比如化學(xué)組分、徑向尺寸、軸向和徑向的取向、表面特征等等。我們可以通過對這些參數(shù)的調(diào)控可以實(shí)現(xiàn)材料的人工剪裁。在眾多一維材料中，MgZnO納米線備受關(guān)注，這是由于ZnO是一種典型的寬禁帶半導(dǎo)體材料，對應(yīng)的帶隙是3.37 eV，激子束縛能高達(dá)60meV，遠(yuǎn)高于室溫能提供的熱激活能(26 meV)。因此，ZnO在室溫或者更高溫度的紫外發(fā)光器件等領(lǐng)域具有很廣泛的應(yīng)用前景。另一方面，MgO體材料

2、帶隙高達(dá)7.8 eV，而Mg2+半徑與Zn2+半徑很接近，Mg替換Zn后不會(huì)引入較大的晶格畸變。基于納米線本身豐富的可調(diào)參數(shù)和MgO與ZnO的上述性質(zhì)，人們對MgZnO納米線進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn)研究，期望通過改變Mg的濃度和納米線各個(gè)參數(shù)，使得體系的帶隙能夠從3.37到7.8 eV連續(xù)可調(diào)。從而獲得在紫外區(qū)域任一波段工作的一維納米材料。盡管實(shí)驗(yàn)上已取得了很多成果，但要理解其內(nèi)在機(jī)理，進(jìn)一步的理論研究是必要的。
　　 本論文主要利用第

3、一性原理的方法對MgZnO合金納米線，ZnO/MgZnO徑向和軸向異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線的結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)的研究。我們的計(jì)算將有助于理解Mg濃度和納米線結(jié)構(gòu)參數(shù)對帶隙的調(diào)節(jié)作用，同時(shí)對制備特定帶隙的MgZnO納米線具有參考意義。此外，我們還簡要研究了MgO單層和YSZ（Y2O3穩(wěn)定的ZrO2）薄膜的結(jié)構(gòu)以及它們的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)。預(yù)言了兩種新的MgO(100)單層結(jié)構(gòu)，同時(shí)揭示了對于核冷卻裝置的YSZ氧探測器，YSZ薄膜的取向?qū)μ綔y器性

4、能的影響。
　　 本論文主要包括以下六章。第一章主要從實(shí)驗(yàn)上總結(jié)了MgZnO合金納米線，ZnO/MgZnO徑向和軸向異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，主要是三種納米線的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)隨Mg濃度、納米線結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變。然后簡要介紹了實(shí)驗(yàn)和理論上對MgO薄膜的電子結(jié)構(gòu)和YSZ體結(jié)構(gòu)中氧遷移的研究現(xiàn)狀。
　　 第二章簡要介紹了理論計(jì)算所用到的密度泛函理論以及本論文采用的計(jì)算軟件包。
　　 第三章主要討論了MgxZn1-x

5、O合金納米線的結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)隨Mg濃度和納米線尺寸的變化趨勢。以尺寸最大的合金納米線為例(D=3.23nm)，通過計(jì)算我們發(fā)現(xiàn)對于低濃度(x＜30％)的合金納米線，Mg原子傾向于離散分布，這與實(shí)驗(yàn)上在制備合金納米線時(shí)沒有觀察到MgO相是一致的。通過對纖鋅礦和巖鹽礦結(jié)構(gòu)的合金納米線結(jié)合能的計(jì)算，我們得到了合金納米線從纖鋅礦到巖鹽礦結(jié)構(gòu)的相變點(diǎn)為x=0.65，稍高于實(shí)驗(yàn)上觀察到的合金薄膜從混合相到四方相的轉(zhuǎn)變點(diǎn)(x=0.62)

6、。在電子結(jié)構(gòu)上，Mg的摻入通過提升導(dǎo)帶底，降低了價(jià)帶頂改變納米線帶隙。當(dāng)Mg濃度從0增加到30％時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對納米線帶隙從3.37到4.02 eV的線性調(diào)節(jié)。同時(shí)，體系的光吸收峰也相應(yīng)地隨著Mg濃度的增加而藍(lán)移。
　　 第四章討論了ZnO/MgZnO徑向異質(zhì)和軸向異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線的結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)。對于ZnO/MgZnO徑向異質(zhì)（核殼）納米線，我們發(fā)現(xiàn)Mg濃度和MgZnO殼的尺寸能夠同時(shí)調(diào)節(jié)納米線的帶隙，但兩者調(diào)節(jié)帶隙的方式不同。

7、Mg的作用主要是降低價(jià)帶頂，而合金殼的尺寸主要是通過影響核內(nèi)Zn-O鍵長來調(diào)節(jié)體系導(dǎo)帶底，并且?guī)峨S這些參數(shù)的變化趨勢能用一經(jīng)驗(yàn)公式較好地描述。此外，我們還計(jì)算了納米線的徑向靜電勢分布。對于ZnO/MgZnO軸向異質(zhì)納米線，我們研究了Mg在納米線中的分布行為和對納米線穩(wěn)定性的影響。在電子結(jié)構(gòu)方面，與核殼納米線類似，ZnO量子阱與MgZnO量子勢壘尺寸比和Mg濃度能夠同時(shí)調(diào)節(jié)軸向異質(zhì)納米線的帶隙。
　　 第五章主要研究了MgO-(

8、111)和(100)單層和條帶的結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)特征。對于MgO(100)單層，我們發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)褶皺或者彎曲結(jié)構(gòu)的單層比平面結(jié)構(gòu)的單層更穩(wěn)定。同時(shí)我們對兩種取向的單層在外加均勻應(yīng)力作用下帶隙的變化也進(jìn)行了分析。此外，類石墨烯結(jié)構(gòu)的鋸齒型(111)條帶表現(xiàn)出金屬性，而扶手椅型的(111)條帶和(100)條帶表現(xiàn)出半導(dǎo)體特性，并且兩者帶隙能夠隨帶寬分別在2.75-2.95 eV和3.75-3.95 eV區(qū)間變化。
　　 在第六章中，我們主