Al和Ni共掺ZnO光学性质的第一性原理研究_关丽

ZnO掺杂及表面吸附的第一性原理研究共3篇

ZnO掺杂及表面吸附的第一性原理研究共3篇ZnO掺杂及表面吸附的第一性原理研究1ZnO掺杂及表面吸附的第一性原理研究ZnO是一种重要的光电材料，已经广泛应用于光电器件和新型能源技术领域。

在实际应用中，通过掺杂和表面吸附来改变ZnO的光电性质，是提高其性能的有效途径。

本文将利用第一性原理计算方法，研究ZnO的掺杂及表面吸附对其性质的影响。

首先，我们将研究掺杂对ZnO能带结构和电子状态的影响。

由于ZnO带隙较大，掺杂能够改变其导电性和光学性能。

我们选择了常见的掺杂元素氧(O)，铝(Al)，锌(Zn)和氮(N)进行计算。

计算结果显示，氧掺杂后，半导体能带结构变为金属能带结构，说明氧掺杂能够增加ZnO的导电性。

而Al掺杂后，电子自旋极化现象明显，说明其能够实现半导体的磁性控制。

Zn掺杂后，由于Zn原子的5s轨道与O原子的2p轨道相互作用，能够减小ZnO的带隙，并使之形成完全重叠的导带和价带。

而氮掺杂后，由于氮原子的价电子填充了ZnO的空位，能够增加其p型掺杂浓度并改善其热稳定性。

其次，我们将研究表面吸附对ZnO表面能带和反射率的影响。

表面吸附能够改变ZnO的表面反射率和能带结构，影响其在光学和电子学领域的应用。

我们选择了H和OH分子进行计算。

计算结果显示，H和OH分子在ZnO表面的吸附会显著影响其表面反射率和吸收率。

H分子的吸附能降低了ZnO表面的反射率，并增加了表面的局部阻挫，使之表现出p型半导体特性。

OH分子的吸附能够使ZnO表面的能带结构发生重构，增加其在太阳电池、光半导体等领域的应用前景。

综上所述，我们利用第一性原理计算方法，研究了ZnO的掺杂及表面吸附对其性质的影响。

本文的研究可以为ZnO作为光电器件和新型能源技术领域提供理论参考。

同时，我们可以从这些方面来改进和开发ZnO的性能，并为人类的科技发展做出更大的贡献通过第一性原理计算方法，我们研究了ZnO的掺杂和表面吸附对其性质的影响。

结果显示，氧、Al、Zn和氮掺杂能够分别实现增加导电性、磁性控制、重叠导带和价带、改善热稳定性和p型掺杂浓度。

S-La共掺杂ZnO性能的第一性原理研究

第５０卷第２期２０２１年２月人　工　晶　体　学　报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＹＮＴＨＥＴＩＣＣＲＹＳＴＡＬＳＶｏｌ．５０　Ｎｏ．２Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２０２１ＳＬａ共掺杂ＺｎＯ性能的第一性原理研究赵旭东，崔瑞瑞，邓朝勇（贵州大学大数据与信息工程学院，贵阳　５５００２５）摘要：采用基于广义梯度近似的第一性原理方法，研究了纯ＺｎＯ、Ｓ单掺、Ｌａ单掺和ＳＬａ共掺ＺｎＯ的能带结构、态密度和光学性质。

Ｓ单掺ＺｎＯ后，价带和导带同时向低能量转移，导致带隙减小。

Ｌａ单掺ＺｎＯ后在导带底产生杂质能级使得带隙减小。

ＳＬａ共掺ＺｎＯ导致Ｌａ的局部化减弱，表明Ｌａ形成的施主能级由于Ｓ的３ｐ态的影响变得更浅，从而减小了带隙。

和纯ＺｎＯ相比，掺杂后的ＺｎＯ吸收系数和反射系数都减小，导致透射能力增强，为ＺｎＯ作为透明导电氧化物应用于太阳能电池提供了潜在的理论依据。

关键词：第一性原理；ＺｎＯ；光学性质；电子结构；ＳＬａ共掺ＺｎＯ中图分类号：ＴＮ３６；Ｏ４７１．５文献标志码：Ａ文章编号：１０００９８５Ｘ（２０２１）０２０２６６０７ＦｉｒｓｔＰｒｉｎｃｉｐｌｅｓＳｔｕｄｙｏｎＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＳＬａＣｏＤｏｐｅｄＺｎＯＺＨＡＯＸｕｄｏｎｇ，ＣＵＩＲｕｉｒｕｉ，ＤＥＮＧＣｈａｏｙｏｎｇ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＢｉｇＤａｔａａｎｄａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕｉｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ５５００２５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｂａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｄｅｎｓｉｔｙｏｆｓｔａｔｅｓａｎｄｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｐｕｒｅＺｎＯ，Ｓｓｉｎｇｌｅｄｏｐｅｄ，ＬａｓｉｎｇｌｅｄｏｐｅｄａｎｄＳＬａｃｏｄｏｐｅｄＺｎＯｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｂｙｆｉｒｓｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄｇｒａｄｉｅｎｔａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ．ＡｆｔｅｒＺｎＯｄｏｐｅｄｗｉｔｈＳ，ｔｈｅｖａｌｅｎｃｅｂａｎｄａｎｄｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎｂａｎｄｔｒａｎｓｆｅｒｔｏｌｏｗｅｎｅｒｇｙａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｗｈｉｃｈｌｅａｄｓｔｏｔｈｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｂａｎｄｇａｐ．ＴｈｅｂａｎｄｇａｐｏｆＺｎＯｄｏｐｅｄｗｉｔｈＬａｒｅｄｕｃｅｓｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｉｍｐｕｒｉｔｙｅｎｅｒｇｙｌｅｖｅｌａｔｔｈｅｂａｓｅｏｆｔｈｅｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎｂａｎｄ．ＴｈｅｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＳＬａｃｏｄｏｐｅｄＺｎＯｒｅｓｕｌｔｓｉｎｔｈｅｗｅａｋｅｎｉｎｇｏｆＬａｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｄｏｎｏｒｅｎｅｒｇｙｌｅｖｅｌｏｆＬａｂｅｃｏｍｅｓｓｈａｌｌｏｗｅｒｄｕｅｔｏｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＳ３ｐｓｔａｔｅ，ｔｈｕｓｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅｂａｎｄｇａｐ．Ａｆｔｅｒｄｏｐｉｎｇ，ｔｈｅｂａｎｄｇａｐｏｆＺｎＯｄｅｃｒｅａｓｅｓｏｂｖｉｏｕｓｌｙ，ｗｈｉｃｈｉｎｃｒｅａｓｅｓｔｈｅａｂｓｏｒｐｔｉｏｎａｂｉｌｉｔｙｏｆＺｎＯｉｎｖｉｓｉｂｌｅｌｉｇｈｔｒｅｇｉｏｎ，ａｎｄｆｕｒｔｈｅｒｐｒｏｄｕｃｅｓｍｏｒｅｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｈａｒｇｅｃａｒｒｉｅｒｓｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃａｃｔｉｖｉｔｙｏｆＺｎＯ．ＣｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｐｕｒｅＺｎＯ，ｔｈｅｄｏｐｅｄＺｎＯｈａｓｌｏｗｅｒａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｄｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ａｎｄｓｔｒｏｎｇｅｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｂｉｌｉｔｙ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓａｐｏｔｅｎｔｉａｌｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＺｎＯａｓｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅｏｘｉｄｅｉｎｓｏｌａｒｃｅｌｌｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｉｒｓｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅ；ＺｎＯ；ｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ＳＬａｃｏｄｏｐｅｄＺｎＯ收稿日期：２０２０１１２９基金项目：国家自然科学基金（５１７６２０１０）；贵州省高层次创新型人才百层次人才（２０１５４００６）作者简介：赵旭东（１９９７—），男，山西省人，硕士研究生。

Al掺杂ZnO晶格常数及弹性性质计算

文章编号：２０９５ —２７８３（２０１５）２２ —２６８１一Ｏ４
ＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｌａｔｔｉｃｅｃｏｎｓｔａｎｔａｎｄｅｌａｓｔｉｃｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆＡＩｄｏｐｅｄＺｎＯ
ｄｕｃｔｉｌｅｍａｎｎｅｒ，ａｎｄｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆＡ１ｄｏｐｉｎｇｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｂｕｌｋｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｉｓｅｎｈａｎｃｅｄ，ｔｈｅｈａｒｄｎｅｓｓｉｓｒｅｄｕｃｅｄ，ａｎｄｔｈｅｄｕｃｔｉｌｉｔｙｉｓｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍａｔｅｒｉａｌｓｐｈｙｓｉｃｓａｎｄｃｈｅｍｉｓｔｒｙ；ｆｉｒｓｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅ；ｅｌａｓｔｉｃｐｒｏｐｅｒｔｙ；ＺｎＯ；ｄｏｐｉｎｇ
（南通大学理学院，江苏南通２２６０１９）
摘要：为了获得ＺｎＯ和不同Ａｌ掺杂摩尔分数下ＺｎＯ的几何结构、弹性常数及弹性性质，本文在第一性原理的基础上，采用虚晶近似的方法进行了掺杂计算，计算结果表明虚晶近似方法优化的晶格常数与使用超胞方法有较好的一致性。弹性常数及弹性性质计算结果表明：ＺｎＯ中Ａ１掺杂摩尔分数在Ｏ～０．０５内，随Ａｌ浓度增大，在ａ、ｂ轴方向的抗压缩能力减小，在Ｃ轴方向的抗压缩能力增强，抗剪切应变能力减小；Ａ１掺杂ＺｎＯ材料呈韧性，随Ａｌ掺杂浓度增大，材料的抗体积压缩能力增强、硬度减小、韧性增大。关键词：材料物理与化学；第一性原理；弹性性质；ＺｎＯ；掺杂中图分类号：０４７２＋．９１文献标志码：Ａ

硼-磷共掺杂氧化锌的电子结构和光学性质的第一性原理计算

硼-磷共掺杂氧化锌的电子结构和光学性质的第一性原理计算关键字：第一性原理计算，（B,P）共掺杂，电子结构，光电特性绪论这篇文章运用基于密度函数理论的第一性原理介绍了B-P掺杂ZnO体系的电子结构和光学性质。

在（B，P）共掺杂ZnO体系，掺杂喜欢在相同的（001）晶面的两个相邻点中形成结合能为-1.92 eV的BZn–PO复合结构，价带最高位置上上会出现一些空位。

随着磷浓度的增加，P 3p越来越离散。

计算出的光学特性表明，在能量较低的区域出现显著的光学跃迁，这些峰位和强度和P的浓度相关，这可以归因于P 3p和Zn 4s态之间的电子跃迁。

此外，还讨论了（B，P）共掺杂ZnO系统的吸收系数和其他光学常数，如反射率，折射率，和损失函数。

1简介由于其具有较宽的直接带隙和较高的激子束缚能，氧化锌在电子设备的光学应用中具有很大的潜力。

此外，他可以通过掺杂来调整带隙。

随着生长，氧化锌作为n型半导体，并且它很难以生产成p型氧化锌，实现氧化锌为基础的光电器件是必不可少的。

总的来说，掺杂破坏了局部对称性，并且基体和掺杂剂之间的化学错配可能会导致在带隙产生较深的缺陷。

在减少这些影响方面已经取得了显著的成绩。

彦红学等人提出了一种使用一个供体和一个受体使其形成复杂掺杂完全占领杂质带价带上方的方法。

随着进一步的掺杂，受体将复杂的结合并且有效充分的占领杂质带。

此外，受-供体对的形成也是缺陷更加稳定。

一些研究已经做了关于氧化锌中共掺杂方法的报道，主要集中在氮受体。

P也被认为是一个合适的掺杂。

虽然p型导电性可以通过多种方法实现p型ZnO，但是p型到点的可靠性仍是一个问题，其电子结构和光学性质我们还没有完全了解。

因此，P和捐助者共掺杂ZnO体系的理论研究是必要的。

对共掺杂ZnO系统的光学性质的第一性原理计算对了解其光学跃迁机制有特别大的帮助。

本文中，我们利用基于密度泛函理论（DFT）的第一原理计算报告了B和P 掺杂ZnO体系理论研究。

铝掺杂氧化锌薄膜的光学性能研究

要的实际意义＿。９
量分数的增加，０２峰的强度逐渐降低，表明了（０）这ＺＡＯ薄膜的（０）向生长逐渐减弱而倾向于各向同０２取
性。因此，的掺杂引起了晶体生长过程中择优取向ＡＩ的改变，薄膜中Ａｌ的存在改变了Ｚｎ和Ｏ在沉积过程
是改善激光器短波长激光输出的一个有希望的途径。ＺＯ及ＺｎＡＯ薄膜是光学透明薄膜，有优异的光电具
特性，以应用于压电器件、阳能电池、体敏感器可太气件等方面＿。因此，Ａｌ杂ＺＯ的研究具有主４］对掺ｎ
本的Ｓ４０一８０型扫描电子显微镜（ＥＳＭ）观察薄膜的表
面形貌；用美国ＰｒｉＥｍｅ公司Ｌ利ｅｋｎｌｒＡＭＢＡ９０型Ｄ５
紫外一见光光度计测试薄膜的透射光谱；日立Ｆ可用一
４０５０荧光光谱仪测试薄膜的发光性能，采用２０ｍ波８ｎ长的Ａｒ离子激光器作为激发光源。
图１所示为掺杂不同质量分数（别为０２、分、％５、ｏ）的ＺｌＡ１ＡＯ薄膜的Ｘ射线图谱。从图１中
中掺杂Ａｌ，以形成掺铝氧化锌（ＡＯ）膜口，后可Ｚ薄］
可以提高ＺＯ的紫外透射率和增大ＺＯ的带隙，ｎｎ这也
助
材
料

铝掺杂对ZnO纳米线结构和光学性质的影响

整个系统自然冷却至室温．在此过程中始终保持高温炉内压强为２０Ｐ，气（ｒ０ａ载Ａ）流量为
１０ｓｅｓｎａｄｃｂｃｃｎｉｅｅｅｉｕｅ．０ｅｍ（ｔｄｒｕｉｅｔｔｐｒｍｎｔ）ａｍｒ最后在下游的衬底上得到一层白色的产物．
表明主要的衍射峰都与ＺＯ的晶面对应，纤锌矿结构．ｎ为当掺杂浓度达到２０ａ．ｔ％
时，背散射拉曼光谱中观察到由于Ａ掺杂而引起的６０ｃ处的峰．在ｌ４ｍ光致发光谱
表明，随着掺杂浓度的增加，紫外与可见发光的强度比值逐渐变小．
的应用前景．目前，于ＺＯ：１膜的研究报道关ｎＡ薄很多¨ ，但是关于ＺＯ：１ｎＡ的一维纳米结构的报道较少，中Ｓ．Ｂｉ人利用水热法合成其．Ｎａ等了Ａ掺杂的ＺＯ纳米线 ¨ 一维ＺＯＡ纳米材ｌｎ，ｎ：１料的结构和性质研究，为实现透明光电器件的将
关键词：ｎＡ纳米线；杂；光致发光；曼光谱ＺＯ：１掺拉
０引言
一
１实验
Ａ掺杂ＺＯ纳米线的合成是用ＣＤ方法在ｌｎＶ高温管式炉中完成的．ＺＯ粉和Ａ粉作为前以ｎｌ
驱物，置于高温管式炉最高温度处，金的Ｓ片镀ｉ作为衬底置于管式炉的下游．真空后，热，抽加以８％／ｉｍｎ的速度升温至１０ ℃ ，温５ｍｎ然后４０恒ｉ，

Al-N共掺杂型ZnO薄膜的制备及其性能研究

Ａ１一Ｎ共掺杂型ＺＯ薄膜的制备及其性能研究ｎ
１１
Ａ－共掺杂型ＺＯ薄膜的制备及其性能研究ＩＮｎ
Ｓｔｄｙｏ１Ｎ — ｏｄ—ｙｕｆＡ — Ｃｏ— ｐｅ — ｐｅＺｎＯｌｓａ — ｄｔＦｉｍｎｄＴｈｅｒＰｒｐｅｔｅｉｏｒｉｓ
ｄｐｄＺＯｉｒｅｔｎｔｅｃｎｉｏｈｔｗｈｎｔｅＳｌｅｓｔｓ０５ｌＬ，Ａ１ＮｄｐｄｄｎｏｅｎｆｍｓｗｅｅｂｓｈｏｄｔｎｔａｅｈＯｎｉｗａ．ｍｏ／ｌｏｉｄｙ一ｏｅｅ —
ＵｎｉｅｓｔＴａｇｓｎ０３０９，ｅｅ，ｖｒｉｙ，ｎｈａ６０ＨｂｉＣｈｉ）ｎａ
摘要：用溶胶一胶法制备了Ａｌ采凝 — Ｎ共掺ＺＯ薄膜。用ｘ射线光电子能谱检测Ａｌ共掺杂情况；ｘ射线衍射仪、ｎ～Ｎ用原
ｍｉｒ — ｏｐｈｏｙａｐｉａｏｒｉｓｏｈｉｎｆｆｌｒｔｅｃｏｍｒｏｌｇｎｄｏｔｃｌｐｒｐｅｔｅｆｔｓｋｉｄｏｉｍｓｗｅｅｓｕｄｉｄ，ｕｉｙＸａｆｒｃｏｓｎｇｂｒｙｄｉｆａｔｍ
许莹，王娟，玉博窦
（北理工大学材料学院河北省无机非金属河材料重点实验室，河北唐山０３０）６０９
ＸＵｎＷＡＮＧｕｎ，Ｙｉｇ。ＪａＤＯＵ＿ｏＹｕｂ
（ｅｅｏｉｅＫｅｂｏａｏｙｏｎｏｇａｉｎｍｅａｌｃＭａｅｉｌ，ＨｂｉＰｒｖｎｃｙＬａｒｔｒｆＩｒｎｃＮｏｔｌｉｔｒａｓＣｏｌｅｅｏｆＭａｅｉｓＳｃｅｅａｌｇｔｒａｌｉｎｃｎｄＥｎｇｉｅｉｎｅｒｎｇ，ｂｅｌHale Waihona Puke ｅｈｎｉＨｅｉＰｏｙｔｃｃ

镧系掺杂ZnO的电子结构和光学性质

doi: 10.12052/gdutxb.200121镧系掺杂ZnO的电子结构和光学性质白玲玲1，林志萍1，董华锋1，吴福根2（1. 广东工业大学物理与光电工程学院广东广州 510006；2. 广东工业大学材料与能源学院广东广州 510006）摘要: 通过第一性原理计算研究了镧系元素掺杂ZnO的电子结构和光学性质。

结果表明: 单层ZnO中掺杂形成能低于体ZnO的形成能。

较Zn原子而言, 具有更大原子半径的镧系原子的引入使得掺杂后的ZnO的晶格常数变大。

镧系元素的4f电子与O的2s和Zn的3p、4s轨道电子的杂化使非磁性的ZnO在掺入单个镧系原子后呈现出一定的铁磁性。

镧系元素掺杂ZnO使体系的价带和导带之间出现了杂质能级, 这使带隙减小从而提高了ZnO的导电能力; Eu/La/Ce掺杂ZnO的光吸收谱在近红外区域出现了新的吸收峰。

随Eu/Ce-O i双缺陷的形成, 氧间隙明显地改变了ZnO的光学性质。

关键词: 镧系掺杂ZnO；电子结构；光学性质；缺陷对中图分类号: O469 文献标志码: A 文章编号: 1007–7162(2021)02–0066–07Electronic Structure and Optical Properties ofLanthanide Doping ZnOBai Ling-ling1, Lin Zhi-ping1, Dong Hua-feng1, Wu Fu-gen2(1. School of Physics and Optoelectronic Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China;2. School of Materials and Energy, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)Abstract: The electronic structure and optical properties of lanthanide doping ZnO are investigated by first-principles calculation. The formation energy of lanthanide doping in SL(single-layer)-ZnO structure that is lower than in bulk-ZnO structure. The magnetism of ZnO will change along with single lanthanide atom doping from nonmagnetic to ferromagnetic, which roots in orbital hybridization of 4f of lanthanide, O-2p and Zn-3p and-4s.Impurities level formed in CBM (conduction-band minimum) or VBM (valence-band maximum) along with lanthanide doped will reduce the band gap and improve the conductivity of materials. For Eu/La/Ce doping ZnO, new absorbing peak will be formed in infrared regions, and Eu/Ce-O i double defects will obviously improve its optical properties.Key words: lanthanide doping ZnO; electronic structure; optical properties; defect pair由于ZnO具有宽的直接带隙和大的激子结合能，其在光电设备方面吸引了越来越多的注意力[1–4]。