ZnO與ZnSb的第一性原理研究.pdf

1、第一性原理計算是以密度泛函理論為基礎，將多電子體系轉化為單電子的研究，通過求解薛定諤方程，得到材料的電子結構，使材料的計算從介觀和原子層次深入到電子層次，這樣就可以從本質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，以電子結構信息為基本點，從電子層面解釋了研究對象的性質以及性能發(fā)生改變的理論機制。
　　 ZnO是一種用途比較廣泛的半導體材料，它的很多性能與其表面性質密切相關。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表面((001)、(100)、(101)和(110)面)的電子結構進行比較系統的研究，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吸附的電子性能進行計算，本論文第四章就對此進行了研究；ZnSb作為一種比較有前途的半導體金屬合金型熱電材料，實驗研究在摻雜Te后其半導體類型從P型轉變?yōu)镹型，但其轉

3、變機制不是很清晰，本論文第五章從電子層面進行了研究。
　　 以上研究所得的主要結論如下：
　　 ①對ZnO的四個表面((001)、(100)、(101)和(110)面)的電子結構的計算，包括能帶結構、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，對應的電阻值越大，導電性越弱；Z

4、nO四個表面的能態(tài)組成基本一致，即價帶主要由Zn3d和O2p態(tài)形成，導帶主要由O2p態(tài)貢獻，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；對于電荷密度，(001)與(100)兩面的強度比其他兩面要強，這說明了其成鍵能力以及電荷轉移的潛能比較強。由于計算表面各優(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，對ZnO(001)表面的O吸附性能進行計算，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)表面仍屬于半導體類型，但帶隙變窄，這有利于價帶電子躍遷到導帶，使其導電性增強，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。摻雜后吸附O前后的電子結構也發(fā)生了明顯變化，費米能級的位置由最初靠近導帶變?yōu)楦咏鼉r帶，這表明有更多的價帶電子躍遷到導帶，并且吸附前后的電荷密度圖以及電子轉移圖也證明了

6、這一點，使得表面與吸附O之間發(fā)生更多的電子轉移，兩者相互作用增強，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型半導體，當摻雜Te濃度為1.56at％和2.34at％時，ZnSb則轉變?yōu)镹型。研究表明這是因為摻雜元素Te的s和p軌道電子，在導帶底部形成了微弱的但可見的施主能級，從而使費米能級位于接近導帶