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Ti掺杂ZnO光电性能的第一性原理研究

曲灵丰 侯清玉 许镇潮 赵春旺

Ti掺杂ZnO光电性能的第一性原理研究

曲灵丰, 侯清玉, 许镇潮, 赵春旺
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  • 在掺杂量为1.04 at%-1.39 at%的范围内,Ti掺杂ZnO体系吸收光谱分布和电导率的实验结果存在争议均有文献报道,但是,迄今为止,对此未有合理的理论解释. 为了解决存在的争议,本文采用基于密度泛函理论的广义梯度近似平面波超软赝势GGA+U的方法,用第一性原理构建了两种不同掺杂量Zn0.9792Ti0.0208O和Zn0.9722Ti0.0278O超胞模型. 所有模型在几何结构优化的基础上,对能带结构分布、态密度分布和吸收光谱分布进行了计算. 计算结果表明:在本文限定的掺杂量范围内,Ti掺杂量越增加,掺杂体系体积越增加,体系总能量越升高,体系稳定性越下降,形成能越升高,掺杂越难,掺杂体系布居值减小,Ti-O 键长变长,共价键减弱,离子键增强,所有掺杂体系均转化为n型化简并半导体;掺杂体系带隙越变宽,吸收光谱蓝移越显著,电子有效质量越增加,电子浓度越增加,电子迁移率越减小,电子电导率越减小,掺杂体系导电性能越差. 计算结果与实验结果相符合. 对存在的问题进行了合理的理论解释. 对Ti掺杂ZnO光电功能材料的设计和制备有一定的理论指导作用.
      通信作者: 侯清玉, by0501119@126.com
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号:61366008,11272142)资助的课题.
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-04-14
  • 修回日期:  2016-05-26
  • 刊出日期:  2016-08-05

Ti掺杂ZnO光电性能的第一性原理研究

  • 1. 内蒙古工业大学理学院物理系, 呼和浩特 010051;
  • 2. 上海海事大学文理学院, 上海 201306;
  • 3. 内蒙古自治区薄膜与涂层重点实验室, 呼和浩特 010051
  • 通信作者: 侯清玉, by0501119@126.com
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号:61366008,11272142)资助的课题.

摘要: 在掺杂量为1.04 at%-1.39 at%的范围内,Ti掺杂ZnO体系吸收光谱分布和电导率的实验结果存在争议均有文献报道,但是,迄今为止,对此未有合理的理论解释. 为了解决存在的争议,本文采用基于密度泛函理论的广义梯度近似平面波超软赝势GGA+U的方法,用第一性原理构建了两种不同掺杂量Zn0.9792Ti0.0208O和Zn0.9722Ti0.0278O超胞模型. 所有模型在几何结构优化的基础上,对能带结构分布、态密度分布和吸收光谱分布进行了计算. 计算结果表明:在本文限定的掺杂量范围内,Ti掺杂量越增加,掺杂体系体积越增加,体系总能量越升高,体系稳定性越下降,形成能越升高,掺杂越难,掺杂体系布居值减小,Ti-O 键长变长,共价键减弱,离子键增强,所有掺杂体系均转化为n型化简并半导体;掺杂体系带隙越变宽,吸收光谱蓝移越显著,电子有效质量越增加,电子浓度越增加,电子迁移率越减小,电子电导率越减小,掺杂体系导电性能越差. 计算结果与实验结果相符合. 对存在的问题进行了合理的理论解释. 对Ti掺杂ZnO光电功能材料的设计和制备有一定的理论指导作用.

English Abstract

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