硫化鋅中硫空位的第一性原理研究.pdf

1、半導(dǎo)體材料中往往會(huì)出現(xiàn)缺陷，這些缺陷嚴(yán)重影響著材料的各種性質(zhì)。硫化鋅（ZnS）是一種寬帶隙材料，自從氧化鋅的廣泛應(yīng)用以來，越來越多的人開始關(guān)注硫化鋅的性質(zhì)，硫化鋅的帶隙為3.68eV和氧化鋅帶隙的帶隙3.44eV比較接近，所以硫化鋅和氧化鋅具有類似的性質(zhì)，但肯定也有差異的地方。能源問題一直都是困擾當(dāng)代學(xué)者的一個(gè)熱點(diǎn)，光催化制氫實(shí)驗(yàn)的成功完成為本文提供了探索新方法的可能，有實(shí)驗(yàn)表明，硫化鋅中若產(chǎn)生了硫空位后會(huì)大大提高它的光催化活性，甚至可

2、以在可見光下制備氫氣，而空位正是晶體材料的一種本征缺陷。基于這一點(diǎn)，本文在此方面大量調(diào)研了國內(nèi)外對(duì)此的研究進(jìn)展和現(xiàn)狀，對(duì)硫化鋅的硫空位這種缺陷作了詳細(xì)的第一性原理計(jì)算，得到了一些能夠解釋上述實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，同時(shí)對(duì)比了氧化鋅的相關(guān)計(jì)算結(jié)果。
　　本文基于密度泛函理論，采用第一性原理方法討論了如下問題：
　?。?）利用VASP軟件，從硫化鋅的纖鋅礦結(jié)構(gòu)入手，首先對(duì)其晶格常數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得出用雜化泛函優(yōu)化得出的結(jié)果更接近理論值。然后對(duì)

3、硫化鋅進(jìn)行總能計(jì)算，進(jìn)而計(jì)算了其幾種常見本征缺陷如硫空位VS，鋅空位VZn，硫填隙Si，鋅填隙 iZn的形成能，計(jì)算結(jié)果表明，在相同條件下，硫空位具有最低的形成能。同時(shí)，對(duì)這些本征缺陷在不同濃度下的形成能進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)硫空位缺陷濃度越低，其形成能越大。另外，也對(duì)硫化鋅中的硫空位在不同濃度下的熱力學(xué)躍遷能級(jí)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明了濃度越大，熱力學(xué)躍遷能級(jí)越小。
　?。?）本文著重對(duì)硫空位作了相關(guān)計(jì)算。首先，計(jì)算本征硫化鋅的帶隙和實(shí)驗(yàn)

4、值進(jìn)行了對(duì)比，用PBE勢計(jì)算結(jié)果為2.09eV，HSE計(jì)算結(jié)果為3.25eV，都比實(shí)驗(yàn)值小，這是計(jì)算方法的局限性造成了，并不影響下一步的分析。其次，本文分別對(duì)不同濃度下的不同帶電狀態(tài)的硫空位進(jìn)行了能帶計(jì)算和態(tài)密度計(jì)算，引入帶電缺陷后，硫空位周圍的原子馳豫情況為帶正電的時(shí)候是向外擴(kuò)張，不帶電的時(shí)候向內(nèi)收縮。此外，不同的帶電狀態(tài)將會(huì)在帶隙中間產(chǎn)生缺陷態(tài)，缺陷的位置將隨著硫空位的濃度的變化而變化，而且會(huì)影響起帶隙的太小。為了解缺陷態(tài)是由哪些原

5、子貢獻(xiàn)的，進(jìn)一步作了Partialcharge計(jì)算，計(jì)算表明，缺陷能級(jí)一般是由缺陷周圍原子貢獻(xiàn)。
　?。?）本文分別用了PBE和HSE對(duì)硫空位的電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，對(duì)于帶電缺陷的計(jì)算，HSE顯得更優(yōu)越，因?yàn)橛械娜毕輵B(tài)在用PBE計(jì)算的時(shí)候無法給出它的具體位置，常常對(duì)本文的分析造成干擾。
　　（4）本文的核心是計(jì)算不同S空位濃度對(duì)其光催化性能的影響，通過HSE能帶計(jì)算,得出缺陷能級(jí)隨空位濃度變化的規(guī)律，由此繼續(xù)計(jì)算了其光學(xué)性