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第一性原理方法研究N-Pr共掺杂ZnO的电子结构和光学性质

张丽丽 夏桐 刘桂安 雷博程 赵旭才 王少霞 黄以能

第一性原理方法研究N-Pr共掺杂ZnO的电子结构和光学性质

张丽丽, 夏桐, 刘桂安, 雷博程, 赵旭才, 王少霞, 黄以能
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  • 作为一种稳定性好、抗辐射能力强、原材料丰富的宽禁带半导体,ZnO在光催化的研究领域中成为热点材料,但是其仅能吸收可见光中的紫光,因此如何扩大ZnO对可见光的响应范围是一个值得研究的问题.掺杂改性是解决这个问题的常用方法.基于以上考量,本文应用第一性原理计算方法研究了N与Pr掺杂对ZnO的电子结构和光学性质的影响.研究结果表明:共掺体系比单掺体系更容易形成,且共掺体系的稳定性随Pr浓度的增加先增强后变弱;同一体系的最短Zn–O键与最长Zn–O键的布居数比例随杂质浓度的增大先增大后减小,说明杂质的掺入对体系的晶格畸变有很大的影响,有利于光生空穴-电子对的分离,从而提高材料的光催化活性.N 2p态与Pr 4f态发生杂化对晶体的完整性产生了破坏,在杂质原子周围形成晶场,造成能级劈裂,带隙减小;介电函数虚部的主峰位均向低能区域移动,吸收光谱中各掺杂体系发生红移,各共掺体系随着杂质原子Pr浓度的增加,在可见光区的响应范围依次扩大,吸收能力也依次增加,说明N与Pr的共掺杂对提高ZnO的光催化性是有利的.
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-08-14
  • 修回日期:  2018-11-28

第一性原理方法研究N-Pr共掺杂ZnO的电子结构和光学性质

  • 1. 南京大学物理学院, 固体微结构物理国家重点实验室, 南京 210093;
  • 2. 伊犁师范学院物理科学与技术分院, 新疆凝聚态相变与微结构实验室, 新疆伊宁 835000
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号:11664042)和新疆十三五重点学科开放课题(批准号:XJZDXK-PHY-201806)资助的课题.

摘要: 作为一种稳定性好、抗辐射能力强、原材料丰富的宽禁带半导体,ZnO在光催化的研究领域中成为热点材料,但是其仅能吸收可见光中的紫光,因此如何扩大ZnO对可见光的响应范围是一个值得研究的问题.掺杂改性是解决这个问题的常用方法.基于以上考量,本文应用第一性原理计算方法研究了N与Pr掺杂对ZnO的电子结构和光学性质的影响.研究结果表明:共掺体系比单掺体系更容易形成,且共掺体系的稳定性随Pr浓度的增加先增强后变弱;同一体系的最短Zn–O键与最长Zn–O键的布居数比例随杂质浓度的增大先增大后减小,说明杂质的掺入对体系的晶格畸变有很大的影响,有利于光生空穴-电子对的分离,从而提高材料的光催化活性.N 2p态与Pr 4f态发生杂化对晶体的完整性产生了破坏,在杂质原子周围形成晶场,造成能级劈裂,带隙减小;介电函数虚部的主峰位均向低能区域移动,吸收光谱中各掺杂体系发生红移,各共掺体系随着杂质原子Pr浓度的增加,在可见光区的响应范围依次扩大,吸收能力也依次增加,说明N与Pr的共掺杂对提高ZnO的光催化性是有利的.

English Abstract

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