ZnS掺杂Ag、Fe的第一性原理研究
Ag掺杂ZnOGaN异质结可见光吸收特性的第一性原理
太赫兹科学与电子信息学报
2020 年 8 月
Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology
Vo1.18，No.4 Aug.，2020
文章编号：2095-4980(2020)04-0744-06
DONG Minghui，DU Aiyan，YUAN Guangming，LI Xiaojie
. All Rights Reserved. (Department of Basic，Qilu Institute of Technology，Jinan Shandong 250200，China)
收稿日期：2019-09-28；修回日期：2019-11-16，第一作者姓名：李文东，E:\TJY\2019 年第 4 期\1 编\李文东\模板编辑.doc 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51602102)；2019 年高校科技计划资助项目(QL19K033) 作者简介：董明慧(1984-)，男，硕士，讲师，主要研究方向为半导体薄膜材料。email:dongmh_tyut @
关键词：ZnO/GaN 异质结；结构稳定性；可见光吸收；第一性原理；态密度；Ag 掺杂
中图分类号：TN304.2+1；O641
文献标志码：A
doi： 10.11805/TKYDA2019372
First principle on visible light absorption characteristics of Ag doped ZnO/GaN heterojunction
Abstract：The band gap width of ZnO/GaN heterojunction is large, which restricts absorption of visible light. In order to study the effects of Ag on the visible light absorption of ZnO/GaN heterojunction, GaN/ZnO heterojunction is constructed on the (1-100) nonpolar plane, and Ag is utilized to replace Zn and Ga atoms at different positions, respectively. Then, the influence of Ag doping on the stability, electronic structure, optical properties and band edge position of ZnO/GaN heterojunction is calculated by first principle. The results reveal that the system of Ag doped ZnO/GaN heterojunction is stable because of the negative formation energy. For Ag replaced Zn and Ga, the band gap width decreases from 2.93 eV to 2.7 eV and 2.3 eV, which results in red shift of absorption coefficient as well as photoconductivity, and is beneficial to the absorption of visible light. Finally, Ag doped ZnO/GaN heterojunction has excellent photocatalytic activity.
不同形貌与掺杂的ZnS纳米材料的制备与性能分析的开题报告
不同形貌与掺杂的ZnS纳米材料的制备与性能分析
的开题报告
一、研究背景与意义
ZnS是一种重要的半导体材料，具有广泛的应用前景。
纳米尺寸的ZnS具有比宏观尺寸更好的电学、光学性能和较大的表面积，因此在光电、光催化、光学传感器等领域有着广泛应用。
掺杂是改变材料性质、增加
其应用范围的一种有效手段。
ZnS掺杂不同的元素，如铜、铁、钒、银、锌等，可以显著改变其电学、光学性能。
因此，对不同形貌与掺杂的ZnS纳米材料的制备与性能分析的研究
具有重要的科学意义和应用价值。
二、研究内容与方法
1.制备不同形貌的ZnS纳米材料
采用水热法、溶剂热法、水相合成法等方法，控制反应条件，制备
出不同形貌的ZnS纳米结构，如球形、棒状、晶体等。
2.掺杂ZnS纳米材料
将适量的掺杂物（如铜、铁、钒、银、锌）加入ZnS反应中，制备
出掺杂ZnS纳米结构，并对其掺杂浓度进行调控，研究其对ZnS光学、
电学性能的影响，并探究其机理。
3.研究ZnS纳米材料的性能
通过光学谱学、电学测试、X射线衍射、扫描电子显微镜等手段，
分析不同形貌与掺杂的ZnS纳米材料的结构、形貌、光学、电学性能，
并探究其性能差异的原因。
三、预期研究结果
1.成功制备出不同形貌与掺杂的ZnS纳米材料；
2.探究ZnS纳米材料形貌与掺杂对其光学、电学性能的影响规律，并解析其机理；
3.为ZnS纳米材料在光电、光催化等领域的应用提供实验基础与理论指导。
ZnS电子结构的第一性原理研究
ZnS电子结构的第一性原理研究魏雪松;钮应喜;吕海萍;殷春浩【期刊名称】《徐州工程学院学报》【年(卷),期】2008(023)004【摘要】采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法对ZnS的电子结构进行了研究.研究结果表明:理论预测ZnS是一种直接宽禁带半导体材料,直接带隙宽度为2.20eV,这个结果比实验值要小1.5eV左右;ZnS的下价带主要由Zn的3d电子贡献,上价带主要由S的3p电子形成,导带主要来源于Zn的4s电子和S的3p 电子的贡献;在ZnS晶体中Zn原子失去电子,S原子得到电子,Zn-S键是共价键.【总页数】4页(P52-55)【作者】魏雪松;钮应喜;吕海萍;殷春浩【作者单位】中国矿业大学,理学院,江苏,徐州,221008;中国矿业大学,理学院,江苏,徐州,221008;中国矿业大学,理学院,江苏,徐州,221008;中国矿业大学,理学院,江苏,徐州,221008【正文语种】中文【中图分类】O56【相关文献】1.Zn掺杂BaTiO3的电子结构及光学性能的第一性原理研究 [J], 彭彩云;张航;张文蕾;马兰;雷博程;张丽丽2.Co,Zn共掺铌酸锂电子结构和吸收光谱的第一性原理研究 [J], 吴圣钰;张耘;柏红梅;梁金玲3.双钙钛矿Zn<sub>2</sub>FeTaO<sub>6</sub>电子结构和自发电极化的第一性原理研究 [J], 刘仕晨;蔡田怡;雎胜;;;4.Zn掺杂对Heusler型磁性形状记忆合金Ni_(2)FeGa_(1-x)Zn_(x)(x=0-1)电子结构、磁性与马氏体相变影响的第一性原理研究 [J], 孙凯晨;刘爽;高瑞瑞;时翔宇;刘何燕;罗鸿志5.Zn掺杂纤锌矿CdSe电子结构和光学性质的第一性原理研究 [J], 王霏宇;曾体贤;安辛友;杨辉;张敏;陈太红;宋婷婷因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
磷酸铁锂正极材料掺杂改性的第一性原理研究
磷酸铁锂正极材料掺杂改性的第一性原理研究磷酸铁锂正极材料掺杂改性的第一性原理研究磷酸铁锂（LiFePO4）作为一种重要的正极材料，由于其高能量密度、较低的材料成本和良好的循环稳定性而备受瞩目。
然而，其相对较低的离子导电性和电子导电性限制了其在电池中的应用效能，限制了其在高功率需求下的使用。
因此，在研究中如何提高磷酸铁锂正极材料的电化学性能是一个重要的课题。
掺杂是一种有效的手段，可以改善材料的电化学性能。
通过向磷酸铁锂正极材料中引入其他元素，可以调节材料的电子结构、改善电子传输和离子扩散，从而提高其电化学性能。
因此，本文通过第一性原理计算方法，研究了不同掺杂元素对磷酸铁锂正极材料性能的影响。
首先，我们选取了几种常用的掺杂元素，包括锌（Zn）、镍（Ni）、钴（Co）和锑（Sb），分别将它们掺杂到磷酸铁锂结构中，并对其进行优化计算。
通过计算发现，这些掺杂元素可以有效地改变磷酸铁锂正极材料的电子结构。
例如，锌和镍的掺杂可以减小能隙，增加导电性；钴的掺杂可以提高材料的离子扩散速率；锑的掺杂可以改善材料的结构稳定性。
其次，我们进一步研究了不同掺杂浓度对磷酸铁锂材料性能的影响。
通过计算发现，适量的掺杂可以提高材料的电化学性能，但过高或过低的掺杂浓度则可能导致材料性能下降。
因此，寻找合适的掺杂浓度是非常重要的。
最后，我们对掺杂元素的位置进行了研究。
我们发现，不同掺杂位置对材料的性能有很大的影响。
例如，在磷酸铁锂材料的龙骨结构中，掺杂元素可以替换铁原子或磷原子，从而改变材料的结构和导电性。
在掺杂过程中，掺杂元素与其他原子之间的相互作用也起着关键的作用。
综上所述，通过第一性原理计算方法，我们系统地研究了不同掺杂元素对磷酸铁锂正极材料性能的影响。
这些研究结果可以为进一步优化磷酸铁锂正极材料的性能提供理论指导，为新型电池的设计和应用提供重要的参考。
然而，由于复杂的电化学反应和体系的多变性，还需要进一步的实验研究来验证并完善这些理论模拟结果。
稀土元素掺杂α-Fe的第一性原理研究
稀土元素掺杂α-Fe的第一性原理研究钢铁材料因其优异的性能和低廉的成本,是目前应用最为广泛的结构材料,如何提升其性能是近年来钢铁材料领域研究的热点问题之一。
众所周知,钢铁材料中添加少量的稀土元素即可大幅度地提升其性能,但目前对其具体的作用机理缺乏微观原子尺度上的认识。
本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了17种稀土元素掺杂对α-Fe的结构、稳定性和力学性能的影响,此外还对目前稀土钢中常见的Fe-Ce 金属间化合物的结构和性能进行了计算,为新型稀土钢的研发提供一定的参考。
固溶焓的计算结果表明,在0 K下所有的稀土元素均不能自发地固溶于α-Fe中,其中Sc元素的固溶能力相对最强,Pr元素的固溶能力相对最差。
从结合能的计算结果可知,Ce元素掺杂后体系稳定性相对最强,而Er和Yb 元素掺杂后体系的稳定性相对较差,表明在所有的Fe-RE化学键中Fe-Ce键最强,Fe-Er键和Fe-Yb键相对较弱。
稀土元素掺杂对α-Fe力学性能的影响可从弹性和塑性两个方面进行评估。
首先根据应力-应变法对固溶体的单晶独立弹性常数进行计算,在此基础上根据V-R-H近似可得到其多晶弹性模量。
计算结果表明,稀土元素掺杂均会降低α-Fe的弹性常数和弹性模量,其中Ce元素对其降低的程度最大。
Pugh判据、泊松比ν和柯西压力C′的计算结果均表明Fe-Ce固溶体呈脆性,其余稀土元素掺杂后的固溶体均呈塑性。
同时掺杂会提升其弹性各向异性,在所有的稀土元素中,掺杂Ce元素对弹性各向异性的提升最小。
晶体的塑性变形能力可由广义层错能来进行表征。
首先对体心立方结构α-Fe三个主要滑移系{110}<111>、{112}<111>和{123}<111>的广义层错能进行了计算,计算结果表明{110}<111>滑移系的不稳定层错能γ<sub>us</sub>最小,意味着在该滑移系上产生塑性变形所需克服的势垒最小。
ZnS光电薄膜的制备及掺杂对其性能的影响
ZnS光电薄膜的制备及掺杂对其性能的影响摘要：ZnS薄膜是工业生产重要的半导体材料，它的宽带隙只有3.6-3.7，光电性能好、化学稳定好和热稳定性好等优点，因此在薄膜电发光、红外线探测器、α粒子监测器、半导体激光器、太阳能电池等领域广泛应用。
ZnS光电薄膜制备工艺和技术有了很大的提高。
ZnS光电薄膜在制备的时候，添加不同的杂质，ZnS 光电薄膜的性能也不同，其应用效果也不同。
因此探讨ZnS光电薄膜的制备及掺杂对其性能的影响。
1.ZnS特性ZnS是一种白色或者微黄色粉末，在氢化硫气体燃烧以后变成了晶体，ZnS 晶体有两种结构，一种是无色六方晶体α变体，另外一种是无色立方晶体β变体。
α变体也就是α-ZnS称为纤锌矿结构，这种结构S作为六方最密堆积，zn原子填充在一半的四面体空隙内，形成六点方阵；β变体也就是β-ZnS，称之为闪锌矿型结构，这种结构是以S原子作为立方最密堆积，Zn堆积在四面体的空隙内，形成立方面心点阵，这两种结构在一定条件下，可以相互转化。
常温条件下为B ZnS结构，当温度达到1020℃的时候，晶体结构发生变化变成了o ZnS结构。
下图分别为α-ZnS结构和β-ZnS示意图：2.ZnS光电薄膜制备方法2.1化学气相沉积法化学气相沉积法指通过气态反应物将原子、分子生成固态薄膜的技术。
它在反应室内引入薄膜气态反应剂和液态反应剂的蒸汽以及其他气体，使得衬底表面发生化学反应，将固态物质沉积到衬底表面形成薄膜。
这种制备方法操作简单、成本低、沉积速度快、膜层和衬底附着性好，具有良好的电学、光学和热学。
2.2脉冲激光沉积脉冲激光沉积指通过脉冲激光器产生的高功率脉冲激光作用于材料表面，让材料表面产生高温和烧灼，燃烧产生的高温压等离子体产生局部膨胀并在基片上沉积称膜。
这种制备工艺兼容性好、适应性强，可以在低温条件可以生成沉积薄膜。
因此，广泛应用在金属半导体、无机薄膜材料等领域。
2.3化学水浴沉积法这种方法是通过液相的方式将难容的化学物固相沉积成膜的制备工艺。
ZnS电子结构的第一性原理
纯ZnS材料的模型建立阿衣扎提1251624一、软件介绍用Materials Studio软件中的CASTEP计算程序下完成纯ZnS材料的模型。
CASTEP 是一种从头算量子力学程序，它基于密度泛函理论，利用总能量平面波赝势方法，用赝势代替离子势，通过平面波基组展开电子波函数，采用局域密度近似(Local Density Approximation，LDA)或广义梯度近似(Generalized Gradient Approximation，GGA)对电子-电子相互作用的交换关联能进行校正。
CASTEP计算程序是目前较为准确的电子结构计算方法。
CASTEP适用于计算周期性的晶体结构，对于非周期性晶体结构一般采用特定的部分作为周期性晶体结构，建立单位晶胞后再进行计算。
故CASTEP软件一般采用超晶胞模型，在周期系统中进行计算。
CASTEP软件可以对晶体结构进行几何优化，得到晶胞稳定时的结构参数，通过计算超晶胞的总能和各孤立原子的总能可以得出晶体的结合能，通过计算电子分布密度和键布居来了解电荷转移情况、原子间的成键情况等。
另外，还可以计算晶体及其原子的光学光谱、态密度和分态密度，对其相应的发光机制和电子机制进行分析研究。
总的来说，它可以实现：计算体系的总能；进行结构优化；执行动力学任务；在设置的温度和关联参数下，研究体系中原子的运动行为；计算周期体系的弹性常数；化学反应的过度态搜索等。
除此之外，计算一些晶体的性质，如能带结构、态密度、聚居数分析、声子色散关系、声子态密度、光学性质、应力等。
量子力学计算精确度高但计算密集。
直到最近，表征固体和表面所需的扩展体系的量子力学模拟对大多数研究者来说才切实可行。
然而，不断发展的计算机功能和算法的进步使这种计算越来越容易实现。
二、软件的使用1．计算任务的设置在CASTEP软件中行任务设置，主要是通过Visualizer应用窗口中的工具条之一“Calculation”来进行。
学术论文：(毕业设计论文)《ZnS电子结构的第一性原理研究》
〔毕业设计论文〕?ZnS电子结构的第一性原理研究? 密级：内部ZnS电子结构的第一性原理研究The primary principle research?of the ZnS electronic structure学院：信息科学与工程学院专业班级：电子科学与技术学号：学生姓名：指导教师：摘要ZnS是Ⅱ-Ⅵ族半导体材料中一种重要的半导体材料，它具有优异的机械性能和光学性能，其结构有闪锌矿(β-ZnS)和纤锌矿(α-ZnS)两种，均有着非常宽的带隙，具有优良的电光特性和广泛的应用前景，并已经为越来越多的人们所关注。
从上世纪90年代开始，人们就已经对ZnS进行了大量的试验研究，近几年来ZnS材料更是倍受人们的关注。
本文目的就是通过对一些典型材料的理论计算，从而对材料的实验研究进行一些理论解释、补充甚至预言的作用。
第一性原理作为一种既古老而又年轻的方法，在材料计算这个领域已经取得了很大的进展，目前大型高速电子计算机的应用，使得此理论研究的优越性越来越突出。
本文即尝试利用计算机模拟技术，应用Materials Studio 4.0 CASTEP软件，通过使用第一性原理研究方法，对ZnS的电子结构和晶格参数等性质进行计算。
并根据所计算的结果来预测材料的宏观特性，为开展和制备新型ZnS光电子材料体系提供理论参考。
论文的主要内容如下：1、介绍了ZnS的结构、根本性质、研究现状和应用情况。
讨论了我们的计算工具—CASTEP及其理论根底。
2、研究了纯ZnS的电子结构、光学性质以及键布居情况。
计算了ZnS系统的能带结构、键布居参数、电子态密度和吸收光谱。
结果说明，ZnS为直接禁带半导体材料，其带隙为3.68eV。
纯ZnS在能量低于4eV的范围内几乎没有吸收；由于价带与导带间的跃迁，在3.6eV(345nm)附近有强的带边吸收；吸收主峰位于8.3eV附近。
ZnS晶体中Zn原子失去电子，为电子的给与体，S原子得到电子，是电子受主，且Zn原子与S原子形成的是共价键。
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ZnS掺杂Ag、Fe的第一性原理研究
【Abstract】In order to study the electronic structure and magnetic properties of Ag and Fe systems doped into ZnS in the sphalerite structure， this paper calculates the energy band structure and the spin density of the doping system by the first-principles calculation method based on the density functional theory. The results show that the density of ZnS doped with Ag and Fe has an impurity level near the Fermi level，Ag doping is p-type doping， Fe doping is n-type doping；transition metal Fe doping into ZnS makes the magnetic properties of ZnS changed.
【Keywords】ZnS； first principle； doping； magnetic properties
1 引言
ZnS是一种重要的宽禁带Ⅱ-Ⅵ族本征半导体材料，在各个领域都有广泛的用途和应用前景。
但纯ZnS材料的带隙使其在一些领域中的应用受到了限制，因此，合理?皆?ZnS使
其电子结构和性质得到改变，以适应不同领域的实际需求，具有广阔的应用前景。
Bhargava等人[1]在1994年发现，ZnS 晶体在掺杂Mn2+后具有很高的量子发光效率。
Anuja等人研
究了掺杂Cu的ZnS系统，发现了系统从纤锌矿到闪锌矿的相变等。
本文研究了ZnS掺杂Ag、Fe的磁学性质和电子结构，主要基于第一性原理的计算方法进行计算，为半导体新材料的开发提供理论依据和实验指导。
计算结果与实验结果较为符合。
2 理论模型与计算方法
计算采用基于密度泛函理论（density functional theory，DFT）的广义梯度近似（generalized gradient approximation，GGA）修正方法[2-5]。
采用超软赝势（ultra-soft pseudo-potential，USSP）近似描述价电子与离子实之间的相互作用；交换相干函数用GGA/PBE[6]进行处理，在倒易的K空间中，通过平面波截止能量的选择可以提高计算精度，同时运用快速傅立叶变化技术，在实空间和倒易空间之间，使能量、相互作用势等快速转换[7]。
计算所用的模型为闪锌矿结构ZnS，其空间群为F-43M（216），晶格常数a=b=c=0.54093nm，α=β=γ=90°，为1×1×1超晶胞结构。
选取Zn-3d104s2、S-3s23p4、Ag-3s23p1、
Fe-2s22p3组态电子作为价电子，其他轨道电子看作芯电子来进行计算。
基本参数设置为在倒易的K空间中，平面波截止能选取Ecut=420.0eV，迭代过程中的收敛精度为
1.0×10-5电子伏特/原子，也即作用在每个原子上的力不大
于0.03eV/nm，内应力不大于0.05GPa，系统总能和电荷密度在Brillouin区的积分计算采用Monkorst-Park方案，选取k网格点为5×5×2，保证了体系能量和构型在准完备的平面波基水平上收敛。
其中一个Ag、Fe原子分别替代超晶胞中心的一个Zn原子，模型如图1所示。
3 计算结果与分析
3.1 结构分析
为了获得ZnS基态的晶格属性，对ZnS超原胞进行结构优化，计算表明我们选取的结构是非常合适的。
由于Ag原子半径比Zn的原子半径要小导致掺杂后ZnS的晶格参数有所减小。
由于掺杂方式为原位替代，所以掺杂未改变晶体的对称性，掺杂后的晶体与纯净的ZnS晶体同构。
掺杂Fe与掺杂前相比ZnS的晶格常数发生了微小的变化，这是由过渡金属原子置换锌原子后原子间的相互作用发生了变化所致。
3.2 能带结构分析
第一，ZnS掺杂Ag的能带结构。
在纯ZnS电子性质的基础之上，我们计算了Ag掺杂ZnS的能带结构结果如图2所示，从图中可以看出，由于杂质Ag的掺入导致热学禁带宽度变为1.92eV，并且在价带顶附近出现了杂质能级（受主能级），该能级距价带顶0.05eV。
通过计算，Ag的掺杂为P型掺杂。
第二，ZnS掺杂Fe的能带结构。
在纯ZnS电子性质的基
础之上，我们计算了Ag掺杂ZnS的能带结构结果，可以看出费米能级附近出现了杂质能级。
计算表明，Fe的掺杂为n 型掺杂。
3.3 磁学性质分析
通过分析，发现ZnS掺杂Ag是曲线几乎对称，而掺杂Fe时曲线不对称，对比数据发现Fe的磁矩为4.18664μB，自旋为1.72hbar，而Ag均为0，所以得出结论：Ag的掺杂并没有改变ZnS的磁学性质，而掺杂Fe时ZnS具有了一定的磁性。
4 结语
本文基于密度泛函理论的第一性原理方法，对ZnS掺杂Ag、Fe的能带结构和磁学性质进行分析，得到了如下结论：
①ZnS掺杂Ag为p型掺杂，杂质能级构成了复合价带顶，系统的带隙变小，ZnS掺杂Fe为n型掺杂；
②ZnS掺杂过渡Fe时自旋态密度曲线不对称，对比数据发现掺杂时Fe的磁矩为4.18664μB，自旋为1.72hbar，而Ag均为0，因此，Ag的掺杂并没有改变ZnS的磁学性质，而掺杂Fe时ZnS具有了一定的磁性。
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