Mn高掺杂浓度对ZnO禁带宽度和吸收光谱影响的第一性原理研究

侯清玉; 董红英; 迎春; 马文

doi:10.7498/aps.62.037101

摘要

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法, 建立了未掺杂与不同浓度的Mn原子取代Zn原子的三种Zn1-xMnxO超胞模型, 分别对模型进行了几何结构优化、态密度分布、能带分布和吸收光谱的计算. 结果表明: 电子非自旋极化处理的条件下, Mn掺杂浓度越小, ZnO形成能越小, 掺杂越容易, 晶体结构越稳定; Mn的掺入使得ZnO体系的杂质能带和导带发生简并化, 并且导带底和价带底同时向低能方向移动, 掺杂后的导带比价带下降得少导致禁带宽度变宽, ZnO吸收光谱明显出现蓝移现象, 计算结果和实验结果相一致. 同时, 电子自旋极化处理的条件下, 体系有磁性, 吸收光谱发生红移现象. 计算结果与相关实验结果相符合.

关键词:

作者及机构信息

1.
内蒙古工业大学理学院物理系, 呼和浩特 010051;

2.
内蒙古工业大学化工学院, 呼和浩特 010051;

3.
内蒙古工业大学材料学院, 呼和浩特 010051

基金项目: 国家自然科学基金 (批准号: 51062012)、教育部春晖计划和内蒙古自治区自然科学基金 (批准号: 2010MS0801, 2010BS0604) 资助的课题.

参考文献

[1]	Yu A, Qian J S, Pan H, Cui Y M, Xu M G, Tu L, Chai Q L, Zhou X F 2011 Sensor Actuat. B 158 9
[2]	Razali R, Zak A K, Majid W H A, Darroudi M 2011 Ceram Int. 37 3657
[3]	Vinodkumar R, Lethy K J, Beena D, Detty A P, Navas I, Nayar U V, Pillai V P M, Ganesan V, Reddy V R 2010 Sol. Energy Mater. Sol. Cells 94 68
[4]	Karamdel J, Dee C F, Majlis B Y 2010 Appl. Surf. Sci. 256 6164
[5]	Ye N, Chen C C 2012 Opt. Mater. 34 753
[6]	Mera J, Doria J, Co'rdoba C, Paredes O, Go'mez A, Paucar C, Fuchs D, Mora'n O 2010 Physica B 405 3463
[7]	Cheng X M, Chien C L 2003 J. Appl. Phys. 93 7876
[8]	Yan X L, Hu D, Li H S, Li L X, Chong X Y, Wang Y D 2011 Physica B 406 3956
[9]	Shinde V R, Gujar T P, Lokhande C D, Mane R S, Han S H 2006 Mater. Chem. Phys. 96 326
[10]	Yun S Y, Cha G B, Kwon Y, Cho S, Hong S C 2004 J. Magn. Mater. 272-276 1563
[11]	Mounkachi O, Benyoussef A, Kenz A E, Saidi E H, Hlil E K 2008 J. Magn. Mater. 320 2760
[12]	Wang Q, Jena P 2004 Appl. Phys. Lett. 84 4170
[13]	Chen K, Fan G H, Zhang Y 2008 Acta Phys. Sin. 57 1054 (in Chinese) [陈琨, 范广涵, 章勇 2009 物理学报 57 1054]
[14]	Osuch K, Lombardi E B, Gebicki W 2006 Phys. Rev. B 73 75202
[15]	Clark S J, Segall M D, Pickard C J, Hasnip P J, Probert M I J, Refson K, Payne M C 2005 Z. Kristallogr. 220 567
[16]	Cui X Y, Medvedeva J E, Delley B, Freeman A J, Newman N, Stampfl C 2005 Phys. Rev. Lett. 95 256404
[17]	Deng S H, Duan M Y, Xu M, He L 2011 Physica B 406 2314
[18]	Schleife A, Fuchs F, Furthmüller J 2006 J. Phys. Rev. B 73 245212
[19]	Robertson J, Xiong K, Clark S J 2006 Phys. Status Solidi (b) 243 2054
[20]	Lu J G, Fujita S, Kawaharamura T, Nishinaka H, Kamada Y, Ohshima T, Ye Z Z, Zeng Y J, Zhang Y Z, Zhu L P, He H P, Zhao B H 2007 J. Appl. Phys. 101 083705
[21]	Lu J G, Fujita S, Kawaharamura T T, Nishinaka H, Kamada Y, Ohshima T 2006 Appl. Phys. Lett. 89 262107
[22]	Gu X Q, Zhu L P, Ye Z Z, Ma Q B, He H P, Zhang Y Z, Zhao B H 2008 Sol. Energy Mater. Sol. Cells 92 343
[23]	Hossain F M, Sheppard L, Nowotny J, Murch G E 2008 J. Phys. Chem. Sol. 69 182
[24]	Xu H Y, Liu Y C, Xu C S, Liu Y X, Shao C L, Mu R 2006 J. Chem. Phys. 124 074707
[25]	Zhao Y Z, Chen C L, Gao G M, Yang X G, Yuan X, Song Z M 2006 Acta. Phys. Sin. 55 3132 (in Chinese) [赵跃智, 陈长乐, 高国棉, 杨晓光, 袁孝, 宋宙模 2006 物理学报 55 3132]
[26]	Sharma P, Gupta A, Owens F J, Inoue A, Rao K V 2004 J. Magn. Magn. Mater. 282 115
[27]	Kwang J K, Young R P 2003 J. Appl. Phys. 94 2
[28]	Kim K J, Park Y R 2003 J. Appl. Phys. 94 867

施引文献

[1]	Yu A, Qian J S, Pan H, Cui Y M, Xu M G, Tu L, Chai Q L, Zhou X F 2011 Sensor Actuat. B 158 9
[2]	Razali R, Zak A K, Majid W H A, Darroudi M 2011 Ceram Int. 37 3657
[3]	Vinodkumar R, Lethy K J, Beena D, Detty A P, Navas I, Nayar U V, Pillai V P M, Ganesan V, Reddy V R 2010 Sol. Energy Mater. Sol. Cells 94 68
[4]	Karamdel J, Dee C F, Majlis B Y 2010 Appl. Surf. Sci. 256 6164
[5]	Ye N, Chen C C 2012 Opt. Mater. 34 753
[6]	Mera J, Doria J, Co'rdoba C, Paredes O, Go'mez A, Paucar C, Fuchs D, Mora'n O 2010 Physica B 405 3463
[7]	Cheng X M, Chien C L 2003 J. Appl. Phys. 93 7876
[8]	Yan X L, Hu D, Li H S, Li L X, Chong X Y, Wang Y D 2011 Physica B 406 3956
[9]	Shinde V R, Gujar T P, Lokhande C D, Mane R S, Han S H 2006 Mater. Chem. Phys. 96 326
[10]	Yun S Y, Cha G B, Kwon Y, Cho S, Hong S C 2004 J. Magn. Mater. 272-276 1563
[11]	Mounkachi O, Benyoussef A, Kenz A E, Saidi E H, Hlil E K 2008 J. Magn. Mater. 320 2760
[12]	Wang Q, Jena P 2004 Appl. Phys. Lett. 84 4170
[13]	Chen K, Fan G H, Zhang Y 2008 Acta Phys. Sin. 57 1054 (in Chinese) [陈琨, 范广涵, 章勇 2009 物理学报 57 1054]
[14]	Osuch K, Lombardi E B, Gebicki W 2006 Phys. Rev. B 73 75202
[15]	Clark S J, Segall M D, Pickard C J, Hasnip P J, Probert M I J, Refson K, Payne M C 2005 Z. Kristallogr. 220 567
[16]	Cui X Y, Medvedeva J E, Delley B, Freeman A J, Newman N, Stampfl C 2005 Phys. Rev. Lett. 95 256404
[17]	Deng S H, Duan M Y, Xu M, He L 2011 Physica B 406 2314
[18]	Schleife A, Fuchs F, Furthmüller J 2006 J. Phys. Rev. B 73 245212
[19]	Robertson J, Xiong K, Clark S J 2006 Phys. Status Solidi (b) 243 2054
[20]	Lu J G, Fujita S, Kawaharamura T, Nishinaka H, Kamada Y, Ohshima T, Ye Z Z, Zeng Y J, Zhang Y Z, Zhu L P, He H P, Zhao B H 2007 J. Appl. Phys. 101 083705
[21]	Lu J G, Fujita S, Kawaharamura T T, Nishinaka H, Kamada Y, Ohshima T 2006 Appl. Phys. Lett. 89 262107
[22]	Gu X Q, Zhu L P, Ye Z Z, Ma Q B, He H P, Zhang Y Z, Zhao B H 2008 Sol. Energy Mater. Sol. Cells 92 343
[23]	Hossain F M, Sheppard L, Nowotny J, Murch G E 2008 J. Phys. Chem. Sol. 69 182
[24]	Xu H Y, Liu Y C, Xu C S, Liu Y X, Shao C L, Mu R 2006 J. Chem. Phys. 124 074707
[25]	Zhao Y Z, Chen C L, Gao G M, Yang X G, Yuan X, Song Z M 2006 Acta. Phys. Sin. 55 3132 (in Chinese) [赵跃智, 陈长乐, 高国棉, 杨晓光, 袁孝, 宋宙模 2006 物理学报 55 3132]
[26]	Sharma P, Gupta A, Owens F J, Inoue A, Rao K V 2004 J. Magn. Magn. Mater. 282 115
[27]	Kwang J K, Young R P 2003 J. Appl. Phys. 94 2
[28]	Kim K J, Park Y R 2003 J. Appl. Phys. 94 867

[1]	李聪, 侯清玉, 张振铎, 赵春旺, 张冰. Sm-N共掺杂对锐钛矿相TiO2的电子结构和吸收光谱影响的第一性原理研究. 物理学报, 2012, 61(16): 167103. doi: 10.7498/aps.61.167103
[2]	侯清玉, 董红英, 迎春, 马文. Al高掺杂浓度对ZnO禁带和吸收光谱影响的第一性原理研究. 物理学报, 2012, 61(16): 167102. doi: 10.7498/aps.61.167102
[3]	侯清玉, 郭少强, 赵春旺. 氧空位浓度对ZnO电子结构和吸收光谱影响的研究. 物理学报, 2014, 63(14): 147101. doi: 10.7498/aps.63.147101
[4]	徐朝鹏, 王永贞, 张伟, 王倩, 吴国庆. Tl掺杂对InI禁带宽度和吸收边带影响的第一性原理研究. 物理学报, 2014, 63(14): 147102. doi: 10.7498/aps.63.147102
[5]	侯清玉, 董红英, 马文, 赵春旺. Ga高掺杂对ZnO的最小光学带隙和吸收带边影响的第一性原理研究. 物理学报, 2013, 62(15): 157101. doi: 10.7498/aps.62.157101
[6]	赵佰强, 张耘, 邱晓燕, 王学维. Fe:Mg:LiNbO3晶体电子结构和吸收光谱的第一性原理研究. 物理学报, 2015, 64(12): 124210. doi: 10.7498/aps.64.124210
[7]	张耘, 王学维, 柏红梅. 第一性原理下铟锰共掺铌酸锂晶体的电子结构和吸收光谱. 物理学报, 2017, 66(2): 024208. doi: 10.7498/aps.66.024208
[8]	李聪, 侯清玉, 张振铎, 张冰. Eu掺杂量对锐钛矿相TiO2电子寿命和吸收光谱影响的第一性原理研究. 物理学报, 2012, 61(7): 077102. doi: 10.7498/aps.61.077102
[9]	许镇潮, 侯清玉. GGA+U的方法研究Ag掺杂浓度对ZnO带隙和吸收光谱的影响. 物理学报, 2015, 64(15): 157101. doi: 10.7498/aps.64.157101
[10]	毛斐, 侯清玉, 赵春旺, 郭少强. Pr高掺杂浓度对锐钛矿TiO2的带隙和吸收光谱影响的研究. 物理学报, 2014, 63(5): 057103. doi: 10.7498/aps.63.057103
[11]	郭少强, 侯清玉, 赵春旺, 毛斐. V高掺杂ZnO最小光学带隙和吸收光谱的第一性原理研究. 物理学报, 2014, 63(10): 107101. doi: 10.7498/aps.63.107101
[12]	曲灵丰, 侯清玉, 赵春旺. Y掺杂ZnO最小光学带隙和吸收光谱的第一性原理研究. 物理学报, 2016, 65(3): 037103. doi: 10.7498/aps.65.037103
[13]	郭进, 黎光旭, 黄丹, 邵元智, 陈弟虎. 纤锌矿结构Zn1-xMgxO电子结构及吸收光谱的第一性原理研究. 物理学报, 2008, 57(2): 1078-1083. doi: 10.7498/aps.57.1078
[14]	罗娅, 张耘, 梁金铃, 刘林凤. 铜铁镁三掺铌酸锂晶体的第一性原理研究. 物理学报, 2020, 69(5): 054205. doi: 10.7498/aps.69.20191799
[15]	梁金铃, 张耘, 邱晓燕, 吴圣钰, 罗娅. 铁镁共掺钽酸锂晶体的第一性原理研究. 物理学报, 2019, 68(20): 204205. doi: 10.7498/aps.68.20190575
[16]	侯清玉, 吕致远, 赵春旺. V高掺杂量对ZnO（GGA+U）导电性能和吸收光谱影响的研究. 物理学报, 2014, 63(19): 197102. doi: 10.7498/aps.63.197102
[17]	贾晓芳, 侯清玉, 赵春旺. 采用第一性原理研究钼掺杂浓度对ZnO物性的影响. 物理学报, 2017, 66(6): 067401. doi: 10.7498/aps.66.067401
[18]	毕艳军, 郭志友, 孙慧卿, 林竹, 董玉成. Co和Mn共掺杂ZnO电子结构和光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2008, 57(12): 7800-7805. doi: 10.7498/aps.57.7800
[19]	侯清玉, 李文材, 赵春旺. In–2N高共掺浓度和择优取向对ZnO最小光学带隙和吸收光谱的影响. 物理学报, 2015, 64(6): 067101. doi: 10.7498/aps.64.067101
[20]	吴木生, 徐波, 刘刚, 欧阳楚英. Cr和W掺杂的单层MoS2电子结构的第一性原理研究. 物理学报, 2013, 62(3): 037103. doi: 10.7498/aps.62.037103

引用本文:

Citation:

计量

文章访问数: 1333
PDF下载量: 1025
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板

Mn高掺杂浓度对ZnO禁带宽度和吸收光谱影响的第一性原理研究

摘要

作者及机构信息

1.
内蒙古工业大学理学院物理系, 呼和浩特 010051;

2.
内蒙古工业大学化工学院, 呼和浩特 010051;

3.
内蒙古工业大学材料学院, 呼和浩特 010051

参考文献

施引文献

目录

计量

Mn高掺杂浓度对ZnO禁带宽度和吸收光谱影响的第一性原理研究

English Abstract

First-principles study on the effect of high Mn doped on the band gap and absorption spectrum of ZnO

1.
College of Sciences, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China;

2.
Schooe of Chemistry Engineering, Hohhot 010051, China;

3.
Material Science, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China

全文HTML

目录

作者中心

审稿中心

关于期刊

关于我们

搜索

留言板

Mn高掺杂浓度对ZnO禁带宽度和吸收光谱影响的第一性原理研究

摘要

作者及机构信息

1. 内蒙古工业大学理学院物理系, 呼和浩特 010051; 2. 内蒙古工业大学化工学院, 呼和浩特 010051; 3. 内蒙古工业大学材料学院, 呼和浩特 010051

参考文献

施引文献

目录

计量

出版历程

Mn高掺杂浓度对ZnO禁带宽度和吸收光谱影响的第一性原理研究

English Abstract

First-principles study on the effect of high Mn doped on the band gap and absorption spectrum of ZnO

1. College of Sciences, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China; 2. Schooe of Chemistry Engineering, Hohhot 010051, China; 3. Material Science, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China

全文HTML

目录

作者中心

审稿中心

关于期刊

关于我们

1.
内蒙古工业大学理学院物理系, 呼和浩特 010051;

2.
内蒙古工业大学化工学院, 呼和浩特 010051;

3.
内蒙古工业大学材料学院, 呼和浩特 010051

1.
College of Sciences, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China;

2.
Schooe of Chemistry Engineering, Hohhot 010051, China;

3.
Material Science, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China