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Ga掺杂ZnO电子结构和吸收光谱的第一性原理研究
作者：刘建军， 陈三， LIU Jian-Jun， CHEN San
作者单位：淮北师范大学物理与电子信息学院,淮北,235000
刊名：
原子与分子物理学报
英文刊名：JOURNAL OF ATOMIC AND MOLECULAR PHYSICS
年，卷(期)：2010，27(3)
被引用次数：1次
参考文献(22条)
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15.Segall M D.Lindan P J D.Probert M J First-principles simulation,ideas,Illustrations and the CASTEP code 2008(11)
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相似文献(10条)
1.学位论文龚凯磁性材料的电子结构和自旋结构的第一性原理研究2007
计算机技术的快速发展，使研究真实材料(上百个原子的体系)的电子结构成为可能。而密度泛函理论给研究材料基态的物理性质提供了坚实的理论基础。因此基于密度泛函理论的第一性原理计算，就成为研究材料基态性质的强大工具。通过计算，我们不仅可以解释材料的物理性质，而且可以任意改变材料的形状或所处的环境，从而模拟不同条件下，甚至实际中很难实现的条件下材料的行为。这能为预测材料的新性能或者指导新材料的合成提供依据。
本论文的目的就是用基于密度泛函理论的第一性原理计算来研究几种磁性材料的电子结构。我们研究的内容大致可以分为两部分，其一是探讨磁性材料FeS<,4>Sb<,2>的电子结构和磁性行为；其二是对稀磁半导体(DMS)GaAs的超元胞上掺杂过渡金属Mn的三种情况的电子结构和磁性的研究。在计算中我们采用了WIEN2K程序包。 WIEN2K程序所采用的具体计算方法是全势线性缀加平面波方法，它是晶体电子结构计算中最精确的方法之一。
本文中，我们利用基于密度泛函理论(DFT)的全势线性缀加平面波方法(FP-LAPW)系统的对磁性化合物FeS<,4>Sb<,2>的电子结构和磁性进行了研究。FeS<,4>Sb<,2>空间群Pnma(62号)，计算表明FeS<,4>Sb<,2>在不同的温度下有不同的性质。当温度T=295K时，FeS<,4>Sb<,2>具有半金属性；而当温度
T=370K时，FeS<,4>Sb<,2>表现出金属性。
稀磁半导体(DMS)也称半磁半导体，是指由磁性过渡族金属原子或稀土金属离子部分替代非磁性阳离子后形成的一类磁性半导体材料。根据掺杂不同的过渡金属及掺杂比例的不同，DMS表现出不同的磁性。本文研究过渡金属元素Mn掺杂稀磁半导体超元胞Ga<,1-X>Mn<,X>As(X=0.125，0.5，0.875)中的磁性质及其电子结构。稀磁半导体的超元胞Ga<,1-X>Mn<,X>As的空间群为P(1号)，我们的计算结果说明Ga<,1-X>Mn<,X>As物理性质，随着Mn掺杂浓度的增强，其金属性和磁性都相应发生了显著的变化。
2.期刊论文潘志军.张澜庭.吴建生.Pan Zhi-Jun.Zhang Lan-Ting.Wu Jian-Sheng掺杂半导体β-FeSi2电子结构
及几何结构第一性原理研究-物理学报2005,54(11)
采用基于第一性原理的密度泛函理论全势线性缀加平面波法,使用广义梯度近似处理交换相关势能,首先计算了β-FeSi2的电子结构及其各元素各亚层电子的能态密度,β-FeSi2的电子能态密度主要由Fe的d层电子和Si的p层电子的能态密度确定;其次通过计算不同掺杂系统的总能量确定了掺杂原子在β-FeSi2中的置换位置,在β-FeSi2中,Co置换FeⅡ位置的Fe原子,Al置换SiⅠ位置的Si原子,这种择位置换与现有的计算结果完全一致;最后计算了Fe1-xCoxSi2和Fe(Si1-xAlx)2的电子结构,对它们的电子结构特征进行了分析,并探讨了电子结构对其热电性能(塞贝克系数、电传输及热传输性能)的影响.
3.学位论文胡永金用第一性原理研究VO<,2>，ZnS和Fe<,4>N的电子结构和性质2007
现代化的工业生产对原材料的性能提出了越来越高的要求，对材料的实验和理论研究已经成为一个很热门的课题。很多材料实验工作已经取得了很高的成就，但只有实验和理论的结合，我们才能够在材料领域取得更具有突破性的进展。本文旨在通过对一些典型材料的理论计算，从而对材料的实验研究进行一些理论解释、补充甚至预言的作用。第一性原理作为一种既古老而又年轻的方法，在材料计算这个领域已经取得了很大的进展，目前大型高速电子计算机的应用，使得此理论研究的优越性越来越突出。能带理论的研究就是从定性的普遍性规律发展到对具体材料复杂能带结构的计算。在密度泛函理论的框架下，出现了很多算法，常用的有基于原子轨道线性组合的紧密束缚法(LCAO-TB)、正交平面波(OPW)、赝势平面波(PWP)、线性缀加平面波方法(LAPW)和线性Muffin-tin轨道组合方法(LMTO)等等。本文就是用第一性原理下的密度泛函理论平面波赝势方法，对三种比较常见而又典型的材料的电子结构和性质进行了计算，主要做了以下三个方面的工作。
一．运用密度泛函平面波赝势和广义梯度近似方法，对两种不同结构的VO<,2>晶体的电子结构进行了计算。得到了低温单斜晶型和高温四方晶型结构的VO<,2>电子态密度(DOS)和能带(Energy band)结构，通过分析发现，单斜晶存在绝缘体特性，而四方晶存在金属特性，这个结论符合已有的实验结果。而且通过对电子态密度和能带结构的分析，我们发现不同特性产生的原因是V原子的3d电子贡献，在不同结构中它的非局域性不一样导致的，这和前人的文献相符合。我们还计算了单斜晶替位掺杂的情况，把晶胞中的部分O原子替换为F原子，结果也和实验上的结果一致。我们认为密度泛函平面波赝势和广义梯度近似方法用来描述g02的结构和性质取得了成功，从研究方法来说，这是一种创新。
二．运用基于密度泛函理论体系下的平面波赝势和广义梯度近似方法，我们计算研究了闪锌矿结构的ZnS晶体在不同的外界压强下的电子结构。通过分析后发现，随着外界压强的增大，晶格常数和键长在不断缩小，从Zn原子向S原子转移的电荷越来越少，Zn-S键的共价性逐渐增强，Zn原子和S原子的态密度都有不同程度的变化，而且还有向低能量移动的趋势。当外界压强达到24GPa时，ZnS从直接带隙半导体变成间接带隙半导体，而且随着压强的增大，间接带隙逐渐变小，直接带隙逐渐增大。这个结果为ZnS在高压条件下的实验研究提供了一个理论性的预言。三．运用密度泛函平面波赝势方法，对FeaN晶体的电子结构进行了计算。我们得到了FeaN晶体的能态密度(DOS)，能带(Energy band)结构和各原子的Mulliken电荷分布和磁矩的大小。在
Fe<,4>N的体心立方体晶体结构中，顶角上和面心上的Fe原子磁矩分别为2.94μB和2.32μB，这个跟实验和其他人的计算结果符合得很好。根据Mulliken电荷分布情况和分析它们的白旋劈裂态密度(DOS)，很好地解释了由于不同位置的Fe和N之间的相互作用不同导致产生的磁性强弱不同的原因。
4.期刊论文潘志军.张澜庭.吴建生CoSi电子结构第一性原理研究-物理学报2005,54(1)
采用基于第一性原理的密度泛函理论全势线性扩展平面波法,首先对CoSi的晶胞参数进行优化计算,CoSi多粒子系统的最低能量为-13468.4297Ry,此时其晶胞处于最稳态,与最稳态对应的晶胞体积V0等于589.9360a.u.3,晶胞参数为a=b=c=0.4438nm;然后计算了优化后的CoSi的电子结构及Si侧Al掺杂的CoSi0.75Al0.25的电子结构并分析了两者的电子结构特征,计算的CoSi电子能态密度与已有的计算结果整体形貌相同,但存在局部差异,Al掺杂后费米面发生了偏移;最后探讨了两者的电子结构对热电性能的影响,Al掺杂可提高CoSi的材料参数B,因此有望提高其热电性能.
5.学位论文李河ZnO电子结构与基本属性的第一性原理研究2010
氧化锌(ZnO)是一种具有多种性能的直接宽禁带半导体材料，这种材料的结构和性能具有很强的设计性。本文采用第一性原理的方法对ZnO的本征缺陷、组成掺杂以及外力对其电子结构和光学性能的影响等进行了研究，并通过比较分析，寻求其中的原因。
全文主要可分为三个部分，第一部分对较有争议、机制复杂的ZnO的四种本征点缺陷的电子结构进行了研究；第二部分对ZnO的理论研究较少的非故意掺杂H、C，很难实现p型转变的Na掺杂以及掺杂方式难以界定的Al掺杂进行了分析；第三部分计算了不同外力对ZnO的电子结构和光学性能的影响。其主要内容和结果如下：
1、计算了理想配比ZnO的电子结构，在此基础上计算了四种本征缺陷。结果表明：ZnO是一种直接禁带半导体材料。Oi缺陷产生了一个受主能级；Vzn缺陷在价带形成了一个受主能级；Vo缺陷在带隙内产生一个深施主能级。Zni缺陷的介入使能带整体向下移动，形成一个新施主能级。Zni缺陷是导致ZnO呈
现n型导电性的主要原因。
2、计算和分析了ZnO非故意掺杂H/C、Na掺杂和Al掺杂。结果表明：(1)非故意掺杂H易在两个位置上存在，形成H-O键；非故意掺杂C引起晶格较大畸变，高能位易形成CO2，而在低能位下可以在晶格上留存。(2)单纯Na掺杂很难使ZnO呈现p型，Zni和Nai对Nazn具有强烈的补偿作用。(3)研究了不同的Al掺杂机制，间隙Al掺杂产生深能级缺陷：替代Al掺杂产生新施主能级。
3、计算和分析了外力下对ZnO的电子结构和光学性能的影响。结果表明：随着外力的增加，(1)ZnO体积变小，带隙宽度整体展宽；(2)价带部分向低能端移动，导带部分向高能端移动；(3)光吸收函数、反射系数、折射指数、介电函数、损失函数中的各峰向高能端漂移。
6.期刊论文张威虎.张富春.张志勇.吕淑媛.杨延宁.ZHANG Wei-hu.ZHANG Fu-chun.ZHANG Zhi-yong.LV Shu-yuan.
YANG Yan-ning(9,0)单臂SiC纳米管电子结构与光学性质第一性原理研究-铸造技术2010,31(7)
采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法,计算了(9,0)单臂SiC纳米管的电子结构和光学线性响应函数,利用精确计算的能带结构和态密度分析了(9,0)单臂SiC纳米管电子结构与光学性质的内在关系.计算结果表明,(9,0)单臂SiC纳米管是一直接宽禁带半导体材料,禁带宽度达到了1.86 eV,价带顶和导带底主要由C和Si原子的P轨道形成,Si-C键主要以sp2、sp3杂化轨道存在,这是SiC纳米管稳定存在的主要原因.光学性质的计算结果显示
,在0～10 eV的能量范围内出现了明显的介电峰,吸收带边对应于紫外波段.因此,(9,0)单臂SiC纳米管或许会成为优异的紫外半导体材料.
7.学位论文林竹掺杂铌酸锂晶体电子结构和光学性质的第一性原理研究2009
铌酸锂晶体是一种应用广泛的多功能晶体，它具有良好的压电、非线性光学、光电以及光折变性能。该晶体可以实现全息存储，目前这方面的应用已经得到了广泛研究。
本文利用第一性原理计算方法研究理想铌酸锂晶体，单掺杂铌酸锂晶体以及双掺杂铌酸锂晶体的电子结构和光学性质。所有计算采用广义梯度近似下的平面波超软赝势方法，通过计算晶胞总能量并进行几何优化，得到基态平衡模型，并以此模型为基础对晶体能带结构、态密度、分态密度、电子布居、差分电子密度、介电函数、能量损失函数、反射谱以及吸收谱进行计算，并分析计算结果，揭示掺杂离子对于晶体电子结构的改变，以及对于光学性质的影响。主要研究内容及结果如下：
(1)建立了理想铌酸锂晶体的结构模型，对其进行优化，并计算了电子结构和光学性质。分析结果表明，理想LiNbO3晶体是间接带隙半导体，价带和导带主要由O原子的2p轨道和Nb原子的4d轨道贡献，两者之间形成共价键。O原子为电子受主，Nb原子为电子施主。理想LiNbO3晶体具有明显的各向异性，并对可见光有良好的透射率。介电函数、能量损失函数、反射谱和吸收谱的各项峰值存在明显联系，都与电子的带间跃迁有关。
(2)通过对Mn:LiNbO3晶体、Fe:LiNbO3晶体和Ru:LiNbO3晶体的电子结构和光学性质的计算和分析。得到如下结论：掺杂产生了杂质能级，主要由Mn、Fe和Ru的d轨道贡献。掺杂降低了电子跃迁所需能量，同时也降低了各原子的电子轨道能量。晶体中最高占据轨道从O的2p变为Mn、Fe和Ru的d轨道。掺杂离子在晶体中同时充当电子的施主与受主。Fe的掺杂使Fe:LiNbO3晶体的能量损失函数有较大的增加，会对光存储的效率有一定影响。Mn、Fe和Ru的掺杂都使晶体的光学性质在可见光低能范围发生变化，吸收谱在可见光区域产生吸收峰，有利于晶体全息存储的应用。
(3)计算了Mn:Fe:LiNbO3晶体、Mn:Ru:LiNbO3晶体和Fe:Ru:LiNbO3晶体的电子结构和光学性质。分析结果表明，双掺杂引入了位置不同的两个杂质能级，Mn:Fe:LiNbO，晶体中Fe杂质能级为深能级，Mn杂质能级为浅能级；Mn:Ru:LiNbO，晶体中Ru杂质能级为深能级，Mn杂质能级为浅能级
Fe:Ru:LiNbO，晶体中Ru杂质能级为深能级，Fe杂质能级为浅能级。通过吸收谱的分析，得出双掺杂在可见光区域吸收率明显提高。三种晶体在可见光区域都有明显的吸收峰出现，并且它们的位置与实验结果相符的很好。晶体在低能区域产生吸收峰说明深浅能级的电子结构发挥了作用。
8.期刊论文梁培.马新国.LIANG Pei.MA Xin-guo Cu-N共掺杂ZnO体系的稳定性,电子结构和磁性的第一性原理研究
-人工晶体学报2010,39(4)
采用第一性原理框架下的全势缀加平面波方法研究了Cu-N共掺杂的ZnO体系的电子结构和磁学性能.基于总能的计算表明,Cu-N共掺杂体系在基态下具有稳定的铁磁性,这个铁磁性的起源可以利用双交换理论进行解释.同时,电子结构的计算表明,掺杂体系在基态下呈现的是半金属特性.在Zn1-xCuxO1-yNy (x=0.0625, y=0.0625)中体系的总的磁矩为2 μB.这些磁矩主要来源于Cu-3d电子和O-2p电子以及N-2p电子的相互作用.
9.学位论文张富春ZnO电子结构与属性的第一性原理研究2006
ZnO基半导体在蓝光和紫外光发射、高密度存储、气敏传感器、表面声波器件、太阳能电池、显示器件、压电器件、高温微电子器件、光电子器件等方面显示出广阔的应用前景，使其成为继GaN之后光电研究领域又一热门的研究课题。目前，尽管对ZnO电子结构、光学性质、表面和界面等方面进行了大量的理论和实验研究，但确切的电学性能、光学性能等仍存在着分歧。本文采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波赝势方法，对ZnO电子结构、掺杂改性、光学性质、体弹性模量以及应力下ZnO电子结构等性质进行了研究，所用软件为MaterialsStudio3.2中的CASTEP软件。主要研究内容及其结果如下：
一、计算了纤锌矿ZnO晶格常数、能带结构、键结构、差分电荷密度、态密度和体弹性模量。ZnO理论预测是一种直接禁带半导体材料，导带底和价带顶都位于布里渊区中心Γ点处，直接带隙3.37eV。
二、利用材料模拟软件CASTEP精确计算了介质跃迁矩阵元，给出了ZnO的能量损失谱、介电函数、反射系数、消光系数以及其它相关光学参数。利用半导体带间跃迁理论和ZnO电子结构信息，对介电谱图和反射谱图的峰值进行了指认和判别，为试验图谱解析和精确监测和控制ZnO材料的生长提供了理论依据。
三、计算了外压调制下ZnO体系电子结构和光学性质，分析了外压对ZnO电子结构与光学性质的影响，对ZnO带隙随压力增大而展宽的现象进行分析。结果表明：随着压力的逐渐增大，ZnO键长缩短，价带与导带分别向低能和高能方向漂移，带内各峰发生小的劈裂，带隙Eg明显展宽，Zn3d电子与O2p电子杂化增强。
四、探讨了ZnO的n型掺杂、p型掺杂以及p型共掺杂机制。模拟了Ⅲ族掺杂的n型ZnO材料的性质。结果表明掺杂后在导带底出现大量由掺杂原子贡献的自由载流子—电子，明显提高了电导率，改善了ZnO的导电性能。对于p型掺杂，掺杂V族元素的氧化锌材料在能隙中引入了深受主能级，载流子(空穴)局域于价带顶附近。而利用加入激活施主的共掺杂技术的计算的结果却表明受主能级向低能方向移动，形成了浅受主能级。同时，受主能级带变宽，非局域化特征明显。
10.期刊论文李振勇.王梅.苏希玉.王亚超.赵伟.LI Zhen-yong.WANG Mei.SU Xi-yu.WANG Ya-chao.ZHAO Wei闪锌
矿Ga1-xAlxN电子结构和光吸收的第一性原理-发光学报2010,31(4)
采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法,计算了不同浓度Al(x=0,0.125,0.250,0.375,0.500)掺杂闪锌矿GaN体系的电子结构和光学吸收谱.结果表明:Al掺杂导致系统的晶格常数减小,禁带宽度增大,吸收谱蓝移,可以达到日盲区紫外线探测器的要求.
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