ZnO與ZnSb的第一性原理研究.pdf

1、第一性原理計(jì)算是以密度泛函理論為基礎(chǔ)，將多電子體系轉(zhuǎn)化為單電子的研究，通過求解薛定諤方程，得到材料的電子結(jié)構(gòu)，使材料的計(jì)算從介觀和原子層次深入到電子層次，這樣就可以從本質(zhì)上探討材料的許多特性。因此，本論文就以第一性原理為主要研究方法，以ZnO、ZnSb為研究對象，以電子結(jié)構(gòu)信息為基本點(diǎn)，從電子層面解釋了研究對象的性質(zhì)以及性能發(fā)生改變的理論機(jī)制。
　　 ZnO是一種用途比較廣泛的半導(dǎo)體材料，它的很多性能與其表面性質(zhì)密切相關(guān)。但目前

2、，對其各表面還沒有比較全面的研究，因此本論文第三章就對其四個低指數(shù)表面((001)、(100)、(101)和(110)面)的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較系統(tǒng)的研究，從而得出它們不同的特性；摻雜是改善材料特性的主要方式，但對其表面摻雜后吸附的第一性原理研究不太多，目前還沒有對其摻Cr后的O吸附的電子性能進(jìn)行計(jì)算，本論文第四章就對此進(jìn)行了研究；ZnSb作為一種比較有前途的半導(dǎo)體金屬合金型熱電材料，實(shí)驗(yàn)研究在摻雜Te后其半導(dǎo)體類型從P型轉(zhuǎn)變?yōu)镹型，但其轉(zhuǎn)

3、變機(jī)制不是很清晰，本論文第五章從電子層面進(jìn)行了研究。
　　 以上研究所得的主要結(jié)論如下：
　　 ①對ZnO的四個表面((001)、(100)、(101)和(110)面)的電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算，包括能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、電荷密度，得出(110)面能量最低、松弛幅度也最小、因此在四個面中相對比較穩(wěn)定，(001)面僅次之；四個面均為直接帶隙，其中(101)面的禁帶寬度最小，(110)面最大，禁帶寬度越大，對應(yīng)的電阻值越大，導(dǎo)電性越弱；Z

4、nO四個表面的能態(tài)組成基本一致，即價(jià)帶主要由Zn3d和O2p態(tài)形成，導(dǎo)帶主要由O2p態(tài)貢獻(xiàn)，不同之處在于各面形成的態(tài)密度及分波態(tài)密度的峰值大小、位置及個數(shù)；對于電荷密度，(001)與(100)兩面的強(qiáng)度比其他兩面要強(qiáng)，這說明了其成鍵能力以及電荷轉(zhuǎn)移的潛能比較強(qiáng)。由于計(jì)算表面各優(yōu)值不匹配，可通過摻雜來改善表面的綜合性能。
　　 ②未摻雜Cr時(shí)，對ZnO(001)表面的O吸附性能進(jìn)行計(jì)算，得出吸附前后其態(tài)密度沒有發(fā)生明顯變化，電荷密

5、度比較弱，吸附O與表面原子的電子轉(zhuǎn)移也不多，說明純的(001)表面對O吸附性能一般。
　　 ③摻雜Cr后，(001)表面仍屬于半導(dǎo)體類型，但帶隙變窄，這有利于價(jià)帶電子躍遷到導(dǎo)帶，使其導(dǎo)電性增強(qiáng)，電阻降低；態(tài)密度的位置也發(fā)生了明顯變化，有左移趨勢；電荷密度明顯增強(qiáng)。摻雜后吸附O前后的電子結(jié)構(gòu)也發(fā)生了明顯變化，費(fèi)米能級的位置由最初靠近導(dǎo)帶變?yōu)楦咏鼉r(jià)帶，這表明有更多的價(jià)帶電子躍遷到導(dǎo)帶，并且吸附前后的電荷密度圖以及電子轉(zhuǎn)移圖也證明了

6、這一點(diǎn)，使得表面與吸附O之間發(fā)生更多的電子轉(zhuǎn)移，兩者相互作用增強(qiáng)，從而提高了ZnO表面對O的吸附性能。因此，摻雜Cr是提高ZnO吸附O氣敏性能得以提高的一個途徑。
　　 ④建立了ZnSb摻雜不同濃度的Te的穩(wěn)定的原子模型。純的ZnSb為P型半導(dǎo)體，當(dāng)摻雜Te濃度為1.56at％和2.34at％時(shí)，ZnSb則轉(zhuǎn)變?yōu)镹型。研究表明這是因?yàn)閾诫s元素Te的s和p軌道電子，在導(dǎo)帶底部形成了微弱的但可見的施主能級，從而使費(fèi)米能級位于接近導(dǎo)帶