ZnO贵金属掺杂研究
目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外关于ZnO贵金属掺杂的研究状况 2
1.3 本论文的主要内容及其意义 2
2 理论基础和计算方法 3
2.1 主要理论方法 3
2.1.1 第一性原理 3
2.1.2 密度泛函理论 4
2.2 基于密度泛函理论的Dmol软件包 4
2.3 origin作图软件 5
3 贵金属掺杂ZnO块体的电子性质和磁性 5
3.1 引言 5
3.2 研究方法 6
3.3 结果和讨论 8
3.3.1 掺杂体系的部分态密度 8
3.3.2 不同元素掺杂的磁性 10
3.3.3 不同掺杂位置的电子性质 11
3.4 结论 13
结论 14
致谢 15
参考文献 16
1 绪论
1.1 研究背景
ZnO是目前已知的纳米结构中形态最为多样的多功能材料之一，掺杂原子对ZnO能带结构的影响日益成为研究和应用的热点。ZnO是一种直接宽带隙半导体材料，室温下带隙宽度为3.37eV,激子束缚能为60meV,具有在可见光区域透明和近紫外光区域发射的特点。ZnO是一种重要的宽带隙II-VI族半导体氧化物，其晶体结构具有三种形态：六方纤锌矿结构（Wurtzite），立方闪锌矿结构（Zinc blende）和立方岩盐矿结构（Rocksalt）。在这三中晶体结构中，纤锌矿结构是室温下最稳定的结构。杂质掺杂是控制半导体能级和物理性质的有效手段。通过掺杂特定的贵金属可以使ZnO块体的能带结构 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
和磁性均产生一定的影响。
稀磁半导体由于具有优异的光电、磁电等性能，在自旋相关的光电子学、磁电子学领域具有广泛的应用前景，这些优异的特性引起人们对稀磁半导体研究的广泛关注。目前在实验方面对稀磁半导体的研究已经很成熟，特别是在光学方面，在磁性方面也有很多研究，但在磁性起源方面还存在一些争议，尤其是对共掺的问题，磁性的起源就更为复杂。本文以ZnO基稀磁半导体为基底，用过渡金属Ru, Rh, Pd, Ag作为掺杂元素，采用基于密度泛函理论的Dmol软件包对掺杂体系的能带结构，态密度等相关参数进行计算。
通过贵金属原子掺杂ZnO研究，计算分析贵金属掺杂ZnO块体的能带结构以及掺杂体系的磁性耦合特性，能够对掺杂体系的相关的物理特性及其能带结构做到一定的了解。并且ZnO贵金属掺杂研究对于理解ZnO材料的力电耦合效应以及其在光电器件方面的潜在应用都有重要的意义。通过掺杂可以使ZnO结构的原子结构、电子结构和磁学性质以及其能带结构发生改变，为实现ZnO纳米材料在纳米电子和光电领域的进一步研究与应用提供了重要的理论指导作用。总体来说，ZnO基稀磁半导体的研究已经取得了很大的进展。然而尽管相关报道很多，但到目前为止仍没有一致性的结论。大量实验表明，过渡金属掺杂ZnO具有内在的铁磁性，这可能主要来源于流子的媒介交换作用。
目前，对ZnO基稀磁半导体的研究已取得一定的实验进展。过渡金属元素掺杂ZnO薄膜常使用脉冲激光沉积（PLD），磁控溅射（包含射频溅射，直流反应溅射等），化学气相沉积，超声波熔融，组合激光分子束外延和溶胶凝胶方法。因为过渡金属元素掺杂ZnO的磁性行为对沉积条件十分敏感，所以直到现在还没有找到一种方法可以用来得到最好的铁磁有序的DMSs薄膜。
1.2 国内外关于ZnO贵金属掺杂的研究状况
由于ZnO材料具有独特的物理化学性能，所以其在纳米级光电器件方面的潜在应用前景逐渐成为研究的热点。为了改善ZnO纳米材料的性能，除了控制材料的尺寸和结构外。通常采用第III、IV和V族元素如Al、Ga、In、Sn等进行掺杂研究。其中作为重要掺杂元素之一的Sn已被人们广泛研究，其作用主要表现在对ZnO薄膜光性能的影响方面。但在已报道的制备工艺中大多采用金等作催化剂，最近有研究表明在不使用催化剂的条件下，利用碳热还原气象反应沉积的方法亦可制备出高质量的掺杂Sn的ZnO纳米带。另外在关于ZnO形貌，微观结构以及电学性能和光学性能的研究方面，国内也有部分学者用Al和稀土元素对ZnO进行相关的掺杂。掺杂在对ZnO晶格的振动特性、光学性能、折射率、制备和生长技术等都具有一定的影响。在实际问题中我们需要对ZnO进行综合改性以期得到更良好的性能，比如磁学性能的提高。这就需要对ZnO实行多种元素的共掺。目前，用过渡金属与碳共掺ZnO的研究已经取得了一定的进展，其主要表现在共掺体系的光性能方面。由于一般情况下制备的ZnO都是N型半导体，能够有效实现ZnO的P型掺杂已成为阻碍ZnO材料在光电领域里发展和推广的巨大挑战。目前对ZnO薄膜和块体材料P型掺杂已取得了重要的进展。另外磁性半导体和自旋电子体系是目前研究的热点，有关ZnO的磁性离子掺杂以及对其能带结构和态密度的相关研究仍将是今后一段时间内的研究重点。
另外，关于其他化合物如ZnS的掺杂研究也有了一的进展。由此可见，贵金属掺杂在光电器件的研究方面具有十分 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
重要的意义。
1.3 本论文的主要内容及其意义
本文主要目的在于理解第一性原理计算的理论基础和计算方法，并能够应用基于密度泛函理论的DMol软件包计算贵金属掺杂ZnO的能带结构和磁性，同时能够分析掺杂原子对ZnO能带结构的影响以及掺杂体系的磁性耦合特征。本论文主要由以下几个部分构成。
第一章，绪论。主要介绍本课题研究的背景以及国内外关于ZnO掺杂的相关研究状况以及目前在研究过程中遇到和需要解决的问题。
第二章，理论基础和计算方法。主要介绍了本篇论文所用到的基本原理，以及后续计算和数据分析所用到的软件。
第三章，贵金属掺杂ZnO块体的电子性质和磁性。根据密度泛函理论，我们计算了在单个原子替换情况下的掺杂体系的形成能，计算结果显示当用Ru,Rh,Pd和Ag分别替换同一位置的Zn原子时，Ru原子的形成能最小，其结果为-2.581eV,说明在贵金属掺杂的过程中Ru掺杂体系最为稳定。同时为了进行比较，我们也选取了金属原子Co,Ni,Cu进行计算，结果显示Co掺杂体系对应的形成能最小为-4.217eV，这说明Co掺杂体系的有序结构最为稳定。三者均为放热过程，较贵金属掺杂更为稳定。同时我们也发现了用不同元素替换相同位置的Zn原子会产生不同的磁矩，并且其电子性质也不相同。
第四章，总结。总结了本片论文主要研究的内容以及研究的意义并且对本研究可能展开的后续工作进行了展望。
2 理论基础和计算方法
本章主要介绍了研究过程中所涉及的基本原理与相关理论，并且对计算过程中所涉及的主要软件和后续研究过程中用来分析处理数据的软件进行相关的介绍，以求对计算的主体以及相关的理论背景做到总的了解。
2.1 主要理论方法
2.1.1 第一性原理
几何结构优化
几何结构优化指的是通过不断的改变体系中原子坐标的位置从而使体系的能量达到最低的过程，这个过程是每个坐标位置都要进行电子的自洽迭代来完成的（电子自洽迭代的收敛的阈值是 )，当前后两次迭代的能量改变、原子所受的最大的力以及最大的位置偏移小于所设置的阈值时，结构优化成功停止。
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外关于ZnO贵金属掺杂的研究状况 2
1.3 本论文的主要内容及其意义 2
2 理论基础和计算方法 3
2.1 主要理论方法 3
2.1.1 第一性原理 3
2.1.2 密度泛函理论 4
2.2 基于密度泛函理论的Dmol软件包 4
2.3 origin作图软件 5
3 贵金属掺杂ZnO块体的电子性质和磁性 5
3.1 引言 5
3.2 研究方法 6
3.3 结果和讨论 8
3.3.1 掺杂体系的部分态密度 8
3.3.2 不同元素掺杂的磁性 10
3.3.3 不同掺杂位置的电子性质 11
3.4 结论 13
结论 14
致谢 15
参考文献 16
1 绪论
1.1 研究背景
ZnO是目前已知的纳米结构中形态最为多样的多功能材料之一，掺杂原子对ZnO能带结构的影响日益成为研究和应用的热点。ZnO是一种直接宽带隙半导体材料，室温下带隙宽度为3.37eV,激子束缚能为60meV,具有在可见光区域透明和近紫外光区域发射的特点。ZnO是一种重要的宽带隙II-VI族半导体氧化物，其晶体结构具有三种形态：六方纤锌矿结构（Wurtzite），立方闪锌矿结构（Zinc blende）和立方岩盐矿结构（Rocksalt）。在这三中晶体结构中，纤锌矿结构是室温下最稳定的结构。杂质掺杂是控制半导体能级和物理性质的有效手段。通过掺杂特定的贵金属可以使ZnO块体的能带结构 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
和磁性均产生一定的影响。
稀磁半导体由于具有优异的光电、磁电等性能，在自旋相关的光电子学、磁电子学领域具有广泛的应用前景，这些优异的特性引起人们对稀磁半导体研究的广泛关注。目前在实验方面对稀磁半导体的研究已经很成熟，特别是在光学方面，在磁性方面也有很多研究，但在磁性起源方面还存在一些争议，尤其是对共掺的问题，磁性的起源就更为复杂。本文以ZnO基稀磁半导体为基底，用过渡金属Ru, Rh, Pd, Ag作为掺杂元素，采用基于密度泛函理论的Dmol软件包对掺杂体系的能带结构，态密度等相关参数进行计算。
通过贵金属原子掺杂ZnO研究，计算分析贵金属掺杂ZnO块体的能带结构以及掺杂体系的磁性耦合特性，能够对掺杂体系的相关的物理特性及其能带结构做到一定的了解。并且ZnO贵金属掺杂研究对于理解ZnO材料的力电耦合效应以及其在光电器件方面的潜在应用都有重要的意义。通过掺杂可以使ZnO结构的原子结构、电子结构和磁学性质以及其能带结构发生改变，为实现ZnO纳米材料在纳米电子和光电领域的进一步研究与应用提供了重要的理论指导作用。总体来说，ZnO基稀磁半导体的研究已经取得了很大的进展。然而尽管相关报道很多，但到目前为止仍没有一致性的结论。大量实验表明，过渡金属掺杂ZnO具有内在的铁磁性，这可能主要来源于流子的媒介交换作用。
目前，对ZnO基稀磁半导体的研究已取得一定的实验进展。过渡金属元素掺杂ZnO薄膜常使用脉冲激光沉积（PLD），磁控溅射（包含射频溅射，直流反应溅射等），化学气相沉积，超声波熔融，组合激光分子束外延和溶胶凝胶方法。因为过渡金属元素掺杂ZnO的磁性行为对沉积条件十分敏感，所以直到现在还没有找到一种方法可以用来得到最好的铁磁有序的DMSs薄膜。
1.2 国内外关于ZnO贵金属掺杂的研究状况
由于ZnO材料具有独特的物理化学性能，所以其在纳米级光电器件方面的潜在应用前景逐渐成为研究的热点。为了改善ZnO纳米材料的性能，除了控制材料的尺寸和结构外。通常采用第III、IV和V族元素如Al、Ga、In、Sn等进行掺杂研究。其中作为重要掺杂元素之一的Sn已被人们广泛研究，其作用主要表现在对ZnO薄膜光性能的影响方面。但在已报道的制备工艺中大多采用金等作催化剂，最近有研究表明在不使用催化剂的条件下，利用碳热还原气象反应沉积的方法亦可制备出高质量的掺杂Sn的ZnO纳米带。另外在关于ZnO形貌，微观结构以及电学性能和光学性能的研究方面，国内也有部分学者用Al和稀土元素对ZnO进行相关的掺杂。掺杂在对ZnO晶格的振动特性、光学性能、折射率、制备和生长技术等都具有一定的影响。在实际问题中我们需要对ZnO进行综合改性以期得到更良好的性能，比如磁学性能的提高。这就需要对ZnO实行多种元素的共掺。目前，用过渡金属与碳共掺ZnO的研究已经取得了一定的进展，其主要表现在共掺体系的光性能方面。由于一般情况下制备的ZnO都是N型半导体，能够有效实现ZnO的P型掺杂已成为阻碍ZnO材料在光电领域里发展和推广的巨大挑战。目前对ZnO薄膜和块体材料P型掺杂已取得了重要的进展。另外磁性半导体和自旋电子体系是目前研究的热点，有关ZnO的磁性离子掺杂以及对其能带结构和态密度的相关研究仍将是今后一段时间内的研究重点。
另外，关于其他化合物如ZnS的掺杂研究也有了一的进展。由此可见，贵金属掺杂在光电器件的研究方面具有十分 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
重要的意义。
1.3 本论文的主要内容及其意义
本文主要目的在于理解第一性原理计算的理论基础和计算方法，并能够应用基于密度泛函理论的DMol软件包计算贵金属掺杂ZnO的能带结构和磁性，同时能够分析掺杂原子对ZnO能带结构的影响以及掺杂体系的磁性耦合特征。本论文主要由以下几个部分构成。
第一章，绪论。主要介绍本课题研究的背景以及国内外关于ZnO掺杂的相关研究状况以及目前在研究过程中遇到和需要解决的问题。
第二章，理论基础和计算方法。主要介绍了本篇论文所用到的基本原理，以及后续计算和数据分析所用到的软件。
第三章，贵金属掺杂ZnO块体的电子性质和磁性。根据密度泛函理论，我们计算了在单个原子替换情况下的掺杂体系的形成能，计算结果显示当用Ru,Rh,Pd和Ag分别替换同一位置的Zn原子时，Ru原子的形成能最小，其结果为-2.581eV,说明在贵金属掺杂的过程中Ru掺杂体系最为稳定。同时为了进行比较，我们也选取了金属原子Co,Ni,Cu进行计算，结果显示Co掺杂体系对应的形成能最小为-4.217eV，这说明Co掺杂体系的有序结构最为稳定。三者均为放热过程，较贵金属掺杂更为稳定。同时我们也发现了用不同元素替换相同位置的Zn原子会产生不同的磁矩，并且其电子性质也不相同。
第四章，总结。总结了本片论文主要研究的内容以及研究的意义并且对本研究可能展开的后续工作进行了展望。
2 理论基础和计算方法
本章主要介绍了研究过程中所涉及的基本原理与相关理论，并且对计算过程中所涉及的主要软件和后续研究过程中用来分析处理数据的软件进行相关的介绍，以求对计算的主体以及相关的理论背景做到总的了解。
2.1 主要理论方法
2.1.1 第一性原理
几何结构优化
几何结构优化指的是通过不断的改变体系中原子坐标的位置从而使体系的能量达到最低的过程，这个过程是每个坐标位置都要进行电子的自洽迭代来完成的（电子自洽迭代的收敛的阈值是 )，当前后两次迭代的能量改变、原子所受的最大的力以及最大的位置偏移小于所设置的阈值时，结构优化成功停止。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/rwxy/wuli/155.html
