La-N、Gd-N摻雜量對(duì)ZnO電.pdf

1、ZnO因其無(wú)毒、廉價(jià)、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。氧化鋅(ZnO)作為直接禁帶半導(dǎo)體材料，室溫下禁帶寬度為3.37eV，激子束縛能為60meV，具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性，在光電材料方面一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。
　　稀土元素具有豐富的電子組態(tài)，近年來(lái)其在半導(dǎo)體材料改性的研究中越來(lái)越受到關(guān)注。稀土元素單摻雜或與非金屬共摻雜ZnO將會(huì)顯著改變ZnO的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，從而影響其光催化性能。
　　本文基于第一性原理，

2、應(yīng)用CASTEP（MS6.0）軟件包中的密度泛函理論（DFT），廣義梯度近似（GGA）下的平面波超軟贗勢(shì)方法（USP），建立了N/La分別單摻雜以及La-N、Gd-N共摻雜ZnO的模型，對(duì)各個(gè)模型進(jìn)行幾何優(yōu)化后計(jì)算了每個(gè)模型的形成能，能帶分布，總態(tài)密度，分態(tài)密度，電子密度與吸收光譜。
　　計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，La、Gd、N分別單摻雜ZnO都在ZnO的禁帶區(qū)域產(chǎn)生雜質(zhì)能級(jí)，La、Gd摻雜產(chǎn)生的雜質(zhì)能級(jí)位于禁帶中間區(qū)域，N摻雜產(chǎn)生的雜質(zhì)能級(jí)

3、位于價(jià)帶頂且與價(jià)帶發(fā)生簡(jiǎn)并。態(tài)密度分析表明：施主與受主能級(jí)分別由 La、Gd的4f態(tài)和N的2p態(tài)貢獻(xiàn)。隨La、Gd摻雜濃度的提高，施主能級(jí)向深能級(jí)方向移動(dòng)，同時(shí)ZnO禁帶寬度略微變窄。隨N摻雜濃度的提高，受主能級(jí)變化不明顯，但禁帶寬度變窄。La-N、Gd-N共摻雜時(shí)，產(chǎn)生兩部分雜質(zhì)能級(jí)，分別由La、Gd的4f態(tài)和N的2p態(tài)貢獻(xiàn)。與單摻雜情況比較，受主能級(jí)與價(jià)帶簡(jiǎn)并化更明顯，施主能級(jí)略微向淺能級(jí)移動(dòng)，但仍處于禁帶中間區(qū)域，淺移化趨勢(shì)不明顯

4、。共摻雜濃度的提高使得施主能級(jí)向深能級(jí)移動(dòng)，禁帶寬度進(jìn)一步變窄。
　　結(jié)果表明：La、Gd、N分別單摻雜以及La-N、Gd-N共摻雜ZnO都使得吸收光譜發(fā)生紅移，其中共摻雜的紅移效果最好。通過(guò)形成能計(jì)算發(fā)現(xiàn)，共摻雜需要更多的能量，但摻雜體系形成后總能量低于單摻雜體系總能量，即結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定。對(duì)電子結(jié)構(gòu)的分析發(fā)現(xiàn)共摻雜時(shí)，La-N、Gd-N間的吸引力使得La–Zn、Gd-Zn與N-O間的排斥力都減小，從而兩部分雜質(zhì)能級(jí)相對(duì)于單摻雜的情

5、況都向淺能級(jí)轉(zhuǎn)化，亦即載流子壽命提高。另一方面施主與受主能級(jí)分別成為電子和空穴的捕獲阱，使得電子空穴更不易復(fù)合而進(jìn)一步提高了載流子壽命。這種 La-N、Gd-N共摻雜的協(xié)同效應(yīng)使得ZnO的光催化性能增強(qiáng)。然而摻雜濃度的提高，雖然能使吸收光譜紅移更強(qiáng)，卻使得雜質(zhì)能級(jí)向深能級(jí)方向移動(dòng)，根據(jù)半導(dǎo)體理論，深能級(jí)是有效的復(fù)合中心，這不利于載流子向表面的傳遞，降低了載流子壽命。綜上所述，La-N、Gd-N共摻雜制備的ZnO光催化劑優(yōu)于La、Gd、N