MgO與ZnO基納米材料的理論研究.pdf

1、與體結(jié)構相比，一維納米線材料的性質(zhì)受更多因素的影響，比如化學組分、徑向尺寸、軸向和徑向的取向、表面特征等等。我們可以通過對這些參數(shù)的調(diào)控可以實現(xiàn)材料的人工剪裁。在眾多一維材料中，MgZnO納米線備受關注，這是由于ZnO是一種典型的寬禁帶半導體材料，對應的帶隙是3.37 eV，激子束縛能高達60meV，遠高于室溫能提供的熱激活能(26 meV)。因此，ZnO在室溫或者更高溫度的紫外發(fā)光器件等領域具有很廣泛的應用前景。另一方面，MgO體材料

2、帶隙高達7.8 eV，而Mg2+半徑與Zn2+半徑很接近，Mg替換Zn后不會引入較大的晶格畸變。基于納米線本身豐富的可調(diào)參數(shù)和MgO與ZnO的上述性質(zhì)，人們對MgZnO納米線進行了廣泛的實驗研究，期望通過改變Mg的濃度和納米線各個參數(shù)，使得體系的帶隙能夠從3.37到7.8 eV連續(xù)可調(diào)。從而獲得在紫外區(qū)域任一波段工作的一維納米材料。盡管實驗上已取得了很多成果，但要理解其內(nèi)在機理，進一步的理論研究是必要的。
　　 本論文主要利用第

3、一性原理的方法對MgZnO合金納米線，ZnO/MgZnO徑向和軸向異質(zhì)結(jié)構納米線的結(jié)構和電子結(jié)構性質(zhì)進行了詳細的研究。我們的計算將有助于理解Mg濃度和納米線結(jié)構參數(shù)對帶隙的調(diào)節(jié)作用，同時對制備特定帶隙的MgZnO納米線具有參考意義。此外，我們還簡要研究了MgO單層和YSZ（Y2O3穩(wěn)定的ZrO2）薄膜的結(jié)構以及它們的電子結(jié)構性質(zhì)。預言了兩種新的MgO(100)單層結(jié)構，同時揭示了對于核冷卻裝置的YSZ氧探測器，YSZ薄膜的取向?qū)μ綔y器性

4、能的影響。
　　 本論文主要包括以下六章。第一章主要從實驗上總結(jié)了MgZnO合金納米線，ZnO/MgZnO徑向和軸向異質(zhì)結(jié)構納米線的結(jié)構和性質(zhì)，主要是三種納米線的電子結(jié)構和光學性質(zhì)隨Mg濃度、納米線結(jié)構參數(shù)的改變。然后簡要介紹了實驗和理論上對MgO薄膜的電子結(jié)構和YSZ體結(jié)構中氧遷移的研究現(xiàn)狀。
　　 第二章簡要介紹了理論計算所用到的密度泛函理論以及本論文采用的計算軟件包。
　　 第三章主要討論了MgxZn1-x

5、O合金納米線的結(jié)構、電子結(jié)構性質(zhì)和光學性質(zhì)隨Mg濃度和納米線尺寸的變化趨勢。以尺寸最大的合金納米線為例(D=3.23nm)，通過計算我們發(fā)現(xiàn)對于低濃度(x＜30％)的合金納米線，Mg原子傾向于離散分布，這與實驗上在制備合金納米線時沒有觀察到MgO相是一致的。通過對纖鋅礦和巖鹽礦結(jié)構的合金納米線結(jié)合能的計算，我們得到了合金納米線從纖鋅礦到巖鹽礦結(jié)構的相變點為x=0.65，稍高于實驗上觀察到的合金薄膜從混合相到四方相的轉(zhuǎn)變點(x=0.62)

6、。在電子結(jié)構上，Mg的摻入通過提升導帶底，降低了價帶頂改變納米線帶隙。當Mg濃度從0增加到30％時，實現(xiàn)了對納米線帶隙從3.37到4.02 eV的線性調(diào)節(jié)。同時，體系的光吸收峰也相應地隨著Mg濃度的增加而藍移。
　　 第四章討論了ZnO/MgZnO徑向異質(zhì)和軸向異質(zhì)結(jié)構納米線的結(jié)構和電子結(jié)構性質(zhì)。對于ZnO/MgZnO徑向異質(zhì)（核殼）納米線，我們發(fā)現(xiàn)Mg濃度和MgZnO殼的尺寸能夠同時調(diào)節(jié)納米線的帶隙，但兩者調(diào)節(jié)帶隙的方式不同。

7、Mg的作用主要是降低價帶頂，而合金殼的尺寸主要是通過影響核內(nèi)Zn-O鍵長來調(diào)節(jié)體系導帶底，并且?guī)峨S這些參數(shù)的變化趨勢能用一經(jīng)驗公式較好地描述。此外，我們還計算了納米線的徑向靜電勢分布。對于ZnO/MgZnO軸向異質(zhì)納米線，我們研究了Mg在納米線中的分布行為和對納米線穩(wěn)定性的影響。在電子結(jié)構方面，與核殼納米線類似，ZnO量子阱與MgZnO量子勢壘尺寸比和Mg濃度能夠同時調(diào)節(jié)軸向異質(zhì)納米線的帶隙。
　　 第五章主要研究了MgO-(

8、111)和(100)單層和條帶的結(jié)構和電子結(jié)構特征。對于MgO(100)單層，我們發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)褶皺或者彎曲結(jié)構的單層比平面結(jié)構的單層更穩(wěn)定。同時我們對兩種取向的單層在外加均勻應力作用下帶隙的變化也進行了分析。此外，類石墨烯結(jié)構的鋸齒型(111)條帶表現(xiàn)出金屬性，而扶手椅型的(111)條帶和(100)條帶表現(xiàn)出半導體特性，并且兩者帶隙能夠隨帶寬分別在2.75-2.95 eV和3.75-3.95 eV區(qū)間變化。
　　 在第六章中，我們主