ZnO摻雜改性的第一性原理研究.pdf

1、與計算機技術相結(jié)合的計算材料和材料設計是現(xiàn)代材料科學研究的重要方面，本論文應用基于密度泛函理論的第一性原理方法和分子動力學等計算材料科學方法對纖鋅礦ZnO中的幾個基本問題進行了理論研究，包括以下五個方面：ZnO及其在壓力作用下的電子結(jié)構(gòu)和光學性質(zhì)、ZnO的n型和p型摻雜機理、MxZn1-xO(M=Cd，Ca)合金機理、非磁性金屬摻雜ZnO基DMSs的磁性來源和機理、H吸附ZnO(10-10)表面的金屬化轉(zhuǎn)變等。 1、研究了本征Z

2、nO的電子結(jié)構(gòu)和光學性質(zhì)。(1)利用GGA近似計算了ZnO的能帶，ZnO為直接禁帶半導體材料，其帶隙為1.02eV。(2)計算了ZnO的介電函數(shù)、吸收系數(shù)等光學常數(shù)，并結(jié)合ZnO電子結(jié)構(gòu)信息和半導體帶間躍遷理論對上述光譜進行了指認和判別。(3)進一步研究了壓力作用下ZnO的電子結(jié)構(gòu)和光學性質(zhì)，分析了壓力作用下藍移現(xiàn)象的機理。所得理論結(jié)果和實驗相符。 2、研究了ZnO的n型、p型摻雜改性機理。計算了ZnO中單摻Ag、N等受主元素，

3、單摻Al、Ga等施主元素以及No-H共摻的電子結(jié)構(gòu)，并結(jié)合分子動力學方法研究了H在ZnO中的行為。結(jié)果表明：(1)Ga摻雜較Al摻雜具有更好的電導性，適合制備n型低阻ZnO。(2)單摻Ag形成深受主能級，單摻N會產(chǎn)生窄的深受主能級，局域化嚴重，導致?lián)饺氲腘原子活性差，單摻Ag和單摻N都不利于制備高質(zhì)量p型ZnO薄膜。(3)H是淺施主而且解溶度非常高，這是ZnO的n型導電性的起因。(4)No-H共摻改性計算表明，No-H形成能要低于N的形

4、成能，說明適量H有利于提高了N原子的固溶度，同時發(fā)現(xiàn)N被H鈍化，不利于p型摻雜。但是，H在ZnO中呈現(xiàn)熱不穩(wěn)定性，高溫退火處理No-H共摻ZnO薄膜可以獲得較高質(zhì)量的p型ZnO薄膜。以上計算結(jié)果很好地解釋了本組ZnO摻雜實驗，并為獲得高質(zhì)量的n或p型ZnO提供了設計方案和理論基礎。 3、研究了MxZn1-xO(M=Cd,Ca)合金的電子結(jié)構(gòu)，從原子層次闡述了M摻雜ZnO的能帶調(diào)整機理。研究表明：(1)摻雜Cd導致ZnO禁帶寬度減

5、小，其機理是CdxZn1-xO價帶頂始終由O 2p占據(jù)，而導帶底部則由O2p、Cd 5s與Zn 4s的雜化軌道控制，隨著摻雜量x的增加，導帶底逐步下降，出現(xiàn)紅移效應。(2)摻雜Ca導致ZnO禁帶寬度增加，其機理是CaxZn1-xO價帶頂仍由O2p占據(jù)，而導帶底部則Zn 4s控制，隨著摻雜量x的增加，導帶底逐步升高，出現(xiàn)藍移效應。以上計算結(jié)果為ZnO合金的設計提供了有效的理論依據(jù)。　　　 4、研究了非磁性金屬(Cu和Ti)摻雜Zn

6、O基DMSs的電子結(jié)構(gòu)、磁性來源和磁性機理，尋找居里溫度高于室溫的新型ZnO基DMSs。研究表明：(1)非磁性金屬(Cu和Ti)摻雜ZnO具有室溫下鐵磁性基態(tài)，且Cu和Ti分別作為受主和施主出現(xiàn)。(2)采用磁性離子d電子間的交換作用模型即d-d雙交換模型解釋了非磁性金屬(Cu和Ti)摻雜ZnO基DMSs的磁性機理。(3)載流子濃度影響體系磁性，如O缺陷的生成會破壞ZnO基DMSs磁性。以上研究結(jié)果豐富了ZnO基DMSs的理論內(nèi)涵，提供了

7、制備新型ZnO基DMSs的思路，并被最近實驗所證實。 5、研究了ZnO(10-10)表面及其吸附H原子的幾何、電子結(jié)構(gòu)和電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。研究表明：(1)ZnO(10-10)表面弛豫后，Zn原子向體內(nèi)移動幅度明顯，表面Zn-O二聚體發(fā)上扭曲。(2)ZnO(10-10)表面吸附H后空間電荷重新分布，導致ZnO(10-10)表面發(fā)生金屬化轉(zhuǎn)變。 本論文得到下列課題的支持：國家863納米專項課題(No.2003AA302160)和