氧化鋅納米結(jié)構(gòu)電磁性質(zhì)的理論研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)屬于Ⅱ-Ⅵ族寬帶半導(dǎo)體,其禁帶寬度為3.37eV,室溫下的激子束縛能達(dá)60meV,在光電子和自旋電子器件上具有著很大的潛力。這使得ZnO成為當(dāng)今半導(dǎo)體材料研究領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn),并被廣泛的應(yīng)用于太陽能電池、透明薄膜三極管、紫外光電探測器、發(fā)光二極管和壓電傳感器等器件上。目前,很多不同的科研小組把目光投向了各種奇特的ZnO納米材料之上,合成了諸如納米線、納米帶以及納米螺旋在內(nèi)的很多種納米結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上,本論文工作主要通過第一

2、性原理計(jì)算,研究了不同維度的ZnO納米材料的電子結(jié)構(gòu)和磁性,并進(jìn)一步分析討論了磁性摻雜、邊界鈍化以及表面化學(xué)修飾等作用對材料性質(zhì)所帶來的影響。主要結(jié)論如下:
　　 (1)對于零維(ZnO)12團(tuán)簇?fù)诫s過渡金屬(TM=Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni和Cu)的結(jié)構(gòu)和電磁性質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn),除了Ti2Zn10O12和V2Zn10O12,所有摻雜的團(tuán)簇都具有高的穩(wěn)定性且保持類籠形結(jié)構(gòu)。單摻雜的TMZn11O12團(tuán)簇一般都具有磁

3、性,然而雙摻雜的TM2Zn10O12團(tuán)簇則表現(xiàn)出反鐵磁性或是順磁性,并沒有得到鐵磁態(tài)結(jié)構(gòu)能量最低的結(jié)論。而在對Eu為例的稀土元素(RE)摻雜(ZnO)12團(tuán)簇的研究中發(fā)現(xiàn),Eu2Zn10O12團(tuán)簇存在著鐵磁耦合的最低能量結(jié)構(gòu)。論文對這種磁性行為通過電荷轉(zhuǎn)移情況和態(tài)密度分布來做了相關(guān)解釋。
　　 (2)以ZnO納米帶為主研究了一維(1D)ZnO納米結(jié)構(gòu)的電磁性質(zhì)。計(jì)算結(jié)果表明Zigzag型ZnO納米帶(ZZnONRs)具有磁性,這

4、種磁性主要來源于邊界O原子之間的鐵磁性耦合。而且,當(dāng)另一邊界的Zn原子被H單獨(dú)鈍化(ZZnONRs-ZnH)時(shí),對于不同的寬度(n=5-9),每個(gè)單元的納米帶的磁矩分別增加到了0.62μB,0.82μB,0.84μB,0.84μB和0.86μB。更有趣的是對于寬度較大(n≥6)的ZZnONRs-ZnH還呈現(xiàn)出了奇特的半金屬性。而且當(dāng)H原予用其他功能團(tuán)(如-CH3和-NH2)代替時(shí),材料仍然能保持鐵磁的半金屬性。對于一維ZnO納米材料,我

5、們還研究了納米線摻雜稀土元素Nd的磁性耦合性質(zhì)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)摻雜的Nd原子或Zn位的缺陷都趨于占據(jù)納米線表面的位置,并且雜質(zhì)和缺陷之間為鐵磁性耦合,導(dǎo)致材料有較大的磁性。
　　 (3)研究了二維(2D)氧化鋅層狀結(jié)構(gòu)(ZnOLs)的穩(wěn)定性和鍵合性質(zhì),以及氟對其表面修飾后的結(jié)構(gòu)變化和電磁性質(zhì)。純凈的ZnOLs為平面六角結(jié)構(gòu),層內(nèi)的Zn-O相互作用是共價(jià)鍵占主導(dǎo)地位,而在層間的相互作用則是較弱的離子鍵結(jié)合。氟原子的表面修飾在提高二維

6、ZnO薄膜的穩(wěn)定性的同時(shí)還會導(dǎo)致ZnOLs具有鐵磁性,對應(yīng)于不同的厚度(n=1-4),每個(gè)單元的磁矩分別為0.84μB,0.87μB,0.89μB,和0.72μB。而且,和前面提到的ZnO納米帶類似,氟化作用也可以使ZnOLs變成半金屬,并且具有高達(dá)0.56eV的半金屬帶隙。
　　 (4)為了和ZnO薄膜的性質(zhì)做對比,還研究了二維GaN單層結(jié)構(gòu)的電磁性質(zhì)。發(fā)現(xiàn)GaN的單層薄膜具有和ZnO類似的平面蜂窩狀結(jié)構(gòu)。但和ZnO不同的是它

7、擁有寬度為1.95eV的非直接帶隙。當(dāng)GaN薄膜的兩側(cè)分別用H和F原子鈍化的時(shí)候,這個(gè)帶隙被轉(zhuǎn)變成直接帶隙并且寬度增加了0.81eV。更有意思的是,當(dāng)外加一個(gè)與薄膜的垂直方向上的電場時(shí),對應(yīng)在-6eV～6eV范圍內(nèi)變化的電場,帶隙會在1.8cV～3.5eV之間變化。同時(shí),這種表面化學(xué)修飾也進(jìn)一步增強(qiáng)了GaN薄膜的穩(wěn)定性。
　　 (5)最后在三維(3D)ZnO塊體模型的基礎(chǔ)上研究了Co摻雜情況下的鐵磁性耦合機(jī)制。針對實(shí)驗(yàn)上測得的室