纳米半导体ZnO的元素掺杂、结构及陶瓷介电性能的研究

第３１卷第３期大学物理实验Ｖｏｌ.３１Ｎｏ.３２０１８年６月ＰＨＹＳＩＣＡＬＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＯＦＣＯＬＬＥＧＥＪｕｎ.２０１８收稿日期:２０１８￣０１￣２９基金项目:吉林化工学院重大科技项目(２０１６０１７)ꎻ吉林化工学院科技项目(２０１６０５１ꎬ２０１８０１７)文章编号:１００７￣２９３４(２０１８)０３￣００４２￣０３半导体ＺｎＯ掺杂改性研究杨㊀雪ꎬ邹㊀贺(吉林化工学院ꎬ吉林吉林㊀１３２０２２)摘要:氧化锌(ＺｎＯ)通过适量掺杂可以提高自身的热学性能ꎬ表现出较好的低阻特征ꎬ对有害气体㊁可燃气体等具有良好的敏感性ꎬ在光电领域也有广泛应用ꎮ本文讨论了多种金属如Ａｌ㊁Ｃｕ㊁Ｇｄ掺杂ＺｎＯ的理论方法ꎬ并总结了关于掺杂后ＺｎＯ的性质研究的结果ꎮ对ＺｎＯ掺杂的工程应用和实践具有一定的指导意义ꎮ关键词:氧化锌ꎻ掺杂ꎻ热导率ꎻ磁性中图分类号:Ｏ４￣３３文献标志码:ＡＤＯＩ:１０.１４１３９/ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｎ２２￣１２２８.２０１８.０３.０１２㊀㊀氧化锌(ＺｎＯ)是一种常用的化学添加剂ꎬ难溶于水ꎬ可溶于酸和强碱ꎮ广泛应用于塑料㊁硅酸盐制品㊁合成橡胶㊁润滑油㊁油漆涂料㊁药膏㊁粘合剂㊁食品㊁电池㊁阻燃剂等产品的制作中ꎮ另外ꎬ氧化锌是一种具有良好的光电㊁热电与压电性质的ＩＩ￣ＶＩ族直接宽禁带半导体ꎬ室温下其禁带宽度为３.３７ｅＶꎬ激子束缚能为６０ｍｅＶꎬ是ＧａＮ(２４ｍｅＶ)的２倍多ꎬ可以实现室温和高温下高效的激子复合发光ꎬ是一种理想的短波长发光器件材料[１￣５]ꎮ以其为基础的材料在压敏器件㊁紫外光发射㊁太阳能电池㊁显示器件㊁光电子器件和热电器件等方面都有广阔的应用前景[６￣９]ꎮ针对氧化锌的制备和性质的研究已广泛引起学者的兴趣[１０ꎬ１１]ꎮ此外ꎬＺｎＯ通过适量掺杂可以提高自身的热学性能ꎬ表现出较好的低阻特征ꎬ对有害气体㊁可燃气体等具有良好的敏感性等特性ꎮ本文对近年来多种金属物质掺杂氧化锌的理论方法㊁原理以及结果进行分析和总结ꎬ获得的结论有助于氧化锌掺杂的工程应用和实践ꎮ１㊀理论方法理想的ＺｎＯ是六角纤锌矿型结构ꎬ空间群为Ｐ６３ｍｃꎬＺｎ的六角密堆积和Ｏ的六角密堆积在ｃ轴方向反向嵌套ꎮ晶格常数ａ＝０.３２４９ｎｍꎬｂ＝０.５２０６ｎｍꎬα＝β＝９０ʎꎬγ＝１２０ʎꎮＺｎ原子位于４个相邻Ｏ原子形成的四面体间隙ꎬＯ原子的排列情况与Ｚｎ相似ꎮ１.１㊀Ａｌ掺杂ＺｎＯＺｎＯ的超晶胞共包含１６个原子ꎬ其中８个Ｏ原子ꎬ８个Ｚｎ原子ꎬ是ＺｎＯ原胞在其基矢ａꎬｂ方向上分别扩展一个单位得到的２ˑ２ˑ１的超晶胞ꎬ如图１(ａ)所示ꎮＡｌ原子掺杂是在ＺｎＯ超晶胞中用一个Ａｌ原子替代一个Ｚｎ原子ꎬ如图１(ｂ)所示ꎬ掺杂浓度为１２.５ｍｏｌ％ꎮ图１㊀(ａ)ＺｎＯ超晶胞(２ˑ２ˑ１)ꎻ(ｂ)Ａｌ取代Ｚｎ的ＺｎＯ超晶胞(２ˑ２ˑ１)图２㊀计算所用Ｚｎ８Ｏ８晶格结构通过广义梯度近似(ＧＧＡ)的ＰＢＥ方法处理电子间的交换关联能ꎬ电子波函数通过平面波基矢组展开ꎬ并采用超软贋势来描述离子实与价电子之间的相互作用势ꎬ各原子的价电子组态分别为:Ｏ￣２ｓ２２ｐ４ꎬＺｎ￣３ｄ１０４ｓ２ꎬＡｌ￣３ｓ２３ｐ４ꎮ平面波截断能选择Ｅｃｕｔ＝３００ｅＶꎬ总能量和电荷密度在对布里渊区的积分计算使用ＭｏｎｋｈｏｒｓｔＰａｃｋ方案ꎬｋ￣ｐｏｉｎｔｓ的网格选取为４ˑ４ˑ４ꎬ自洽收敛精度为２ˑ１０－６ｅＶ/ａｔｏｍ[１２]ꎮ１.２㊀Ｃｕ掺杂ＺｎＯ采用分子式为Ｚｎ８Ｏ８的超晶胞模型(图２)ꎬＣｕ原子掺杂是在Ｚｎ８Ｏ８超晶胞中用一个Ｃｕ原子替代一个Ｚｎ原子ꎮ使用密度泛函理论计算ＺｎＯ体系的稳定结构[１３]ꎮ原子的位移收敛精度标准设置为０.０００１ｎｍꎬ价电子平面波函数基矢截断能量标准设置为３４０ｅＶꎮ各原子的价电子组态分别为:Ｏ￣２ｓ２２Ｐ４ꎬＺｎ￣３ｄ１０４ｓ２ꎬＣｕ￣３ｄ１０４ｓ１ꎬ布里渊区ｋ点的采样采用ＭｏｎｋｈｏｒｓｔＰａｃｋ网格法进行ꎬｋ￣ｐｏｉｎｔｓ的网格选取为５ˑ５ˑ４ꎬ收敛精度为１ˑ１０－５ｅＶ/ａｔｏｍꎮ体系的声子分布和声子态密度通过声子计算得到ꎬ采用线性响应的密度泛函微扰理论基础上的第一性原理计算(ＤＥＰＴ)法进行声子相关计算ꎬ对布里渊区的积分计算采用傅里叶插值法ꎮ计算结果中布里渊区的高对称点分别取为Ｇ(０ꎬ０ꎬ０)ꎬＡ(０ꎬ０ꎬ０.５００)ꎬＨ(－０.３３３ꎬ０.６６７ꎬ０.５００)ꎬＫ(－０.３３３ꎬ０.６６７ꎬ０)ꎬＭ(０ꎬ０.５００ꎬ０)ꎬＬ(０ꎬ０.５００ꎬ０.５００)ꎮ１.３㊀Ｇｄ掺杂ＺｎＯ应用ＣＡＳＴＥＰ建立了纯ＺｎＯ(１ˑ１ˑ１)模型以及Ｇｄ￣ＺｎＯ超晶胞模型ꎬ截取４层总共９６个原子构成一个超胞(图３)ꎬ４８个Ｚｎ原子ꎬ４８个Ｏ原子ꎬ掺杂后一个Ｇｄ原子替位一个Ｚｎ原子构成新的ＺｎＯ超晶胞[１４]ꎮＧｄ的掺杂量分别取为３.１２５ａｔ％㊁６.２５ａｔ％㊁９.３７５ａｔ％ꎮ所有计算使用ＶＡＳＰ实现ꎮＺｎＯ纳米线结构是沿ＺｎＯ纤锌矿晶体[０００１]方向切割而成ꎬ设置１２Å的真空层来避免相邻纳米线之间的相互作用ꎮ截断能为４５０ｅＶꎬ自洽收敛精度为１.０ˑ１０－４ｅＶ/ａｔｏｍꎬ力收敛判据为０.０２ｅＶ/Åꎬｋ￣ｐｏｉｎｔｓ的网格选取为１ˑ１ˑ７ꎮ图３㊀Ｇｄ￣ＺｎＯ计算所用超晶胞结构模型２㊀结果与分析２.１㊀Ａｌ掺杂ＺｎＯ采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软贋势方法ꎬ计算了本征ＺｎＯ和Ａｌ掺杂ＺｎＯ的能带结构和介电常数ꎬＡｌ的掺入导致ＺｎＯ的费米能级进入导带ꎮ另外采用固相反应法制备了纯ＺｎＯ和Ａ１掺杂ＺｎＯ粉体ꎬ经结构优化和实验分析[１２]ꎬＡｌ掺杂后ＺｎＯ的晶胞体积基本不变ꎬ且Ａｌ是以离子形态在ＺｎＯ中形成替位式掺杂ꎮ实验与计算结果相比ꎬ都表现出Ａｌ３＋掺杂后ＺｎＯ的介电函数实部εᶄ和虚部εᵡ比未掺杂时有增大的趋势ꎮ２.２㊀Ｃｕ掺杂ＺｎＯ基于平面波函数超软贋势密度泛函理论和线性响应的密度泛函微扰理论基础上的第一性原理计算法研究了Ｃｕ掺杂ＺｎＯ的晶格结构㊁热学参数和热学性能ꎮＣｕ掺杂ＺｎＯ晶胞有所减小ꎬ在所研究的温度范围内ꎬ纯ＺｎＯ和Ｃｕ掺杂ＺｎＯ的晶格热容随温度升高均不断增大ꎬ其值随温度升高变化逐渐缓慢并达到一个稳定值ꎬ在最高温度９００Ｋ时ꎬＺｎＯ和Ｃｕ掺杂的ＺｎＯ的晶格热容分别达到６９.１Ｊ (ｍｏｌ－１ Ｋ－１)和１５２.８Ｊ (ｍｏｌ－１ Ｋ－１)ꎬ掺杂后的ＺｎＯ晶格热容高于纯ＺｎＯ[１３]ꎮ通过Ｃｕ掺杂可以优化ＺｎＯ氧化物的热学参数ꎬ实现对其晶格热导率的调制ꎮ２.３㊀Ｇｄ掺杂ＺｎＯ通过理论计算表明Ｇｄ２Ｚｎ４６Ｏ４８纳米线可以显示铁磁性ꎬ但是系统的ΔＥ很小ꎬ同时不同掺杂态的形成能之间的差别比较小ꎬ因此铁磁性并不稳３４半导体ＺｎＯ掺杂改性研究定ꎬ所以实验室上制备的Ｇｄ掺杂ＺｎＯ很容易显示反铁磁性[１４]ꎮ分别计算了在Ｇｄ２Ｚｎ４６Ｏ４８纳米线超胞中注入不同数目的电子㊁空穴数时系统的ΔＥꎬ结果显示:当１个电子被加入超胞时系统铁磁的稳定性被明显加强ꎬ此时不同磁耦合态的纳米线结构的能量差达到ΔＥ＝１６０ｍｅＶꎬ远高于未注入电子时的能量差(２ｍｅＶ)ꎮ当掺入的电子数达到２个时ꎬ体系显示反铁磁性ꎬ表明当掺入浓度比较大时ꎬＧｄ２Ｚｎ４６Ｏ４８纳米线显示反铁磁性ꎮ同时发现ꎬ在Ｇｄ２Ｚｎ４６Ｏ４８纳米线体系中加入空穴只能使系统由铁磁性变成反铁磁性ꎮ４ｆ电子局域性强ꎬ不能直接发生耦合作用ꎬ而ｓ电子是非局域的ꎬ４ｆ和ｓ电子可以耦合ꎬ极化的ｓ电子影响ｆ电子的自旋方向ꎬ所以ｓ电子在磁性交换耦合作用时起着重要作用ꎬ因此加入电子可以得到更加稳定的铁磁性ꎮ对于铁磁耦合ꎬｆ￣ｓ耦合比ｆ￣ｆ耦合㊁ｆ￣ｄ耦合更为重要ꎮＧｄ２Ｚｎ４６Ｏ４８纳米线体系加入电子㊁空穴后的形成能的计算表明:体系的形成能随着加入的电子数的增大而降低ꎬ随着加入空穴量的增加而增大ꎮ说明加入电子后体系结构变得更加稳定ꎬ加入空穴后体系结构的稳定性降低ꎮ因此ꎬ实验中可以通过掺杂注入电子的方式来调节系统的磁耦合状态ꎮ３㊀结㊀论本文使用第一性原理研究了Ａｌ㊁Ｃｕ㊁Ｇｄ掺杂ＺｎＯ体材料的电子结构与磁性性质ꎮ掺杂可以有效的控制一些应用上的缺陷ꎮ在掺杂半导体的研究过程中ꎬ研究模型的大小跟硬件条件关系很大ꎬ并且优化的过程中由于各种原因出现优化失败的情形ꎬ需要及时调整与改进ꎮ参考文献:[１]㊀ＧｒｅｅｎＬＥꎬＬａｗＭꎬｅｔａｌ.Ｌｏｗ￣ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗａｆｅｒ￣ｓｃａｌｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆＺｎＯｎａｎｏｗｉｒｅａｒｒａｙｓ.Ａｎｇｅｗ.Ｃｈｅｍ[Ｊ].Ｉｎｔ.Ｅｄｉｔꎬ２００３ꎬ４２(２６):３０３１￣３０３４.[２]㊀ＬｖＭＰꎬＳｏｎｇＪＨꎬｅｔａｌ.ＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃＮａｎｏｇｅｎｅｒａｔｏｒＵ￣ｓｉｎｇｐ￣ＴｙｐｅＺｎＯＮａｎｏｗｉｒｅＡｒｒａｙｓ[Ｊ].ＮａｎｏＬｅｔ.ꎬ２００９ꎬ９(３):１２２３￣１２２７..[３]㊀ＴａｋＹꎬＨｏｎｇＳＪꎬｅｔａｌ.ＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆＺｎＯ/ＣｄＳｃｏｒｅ/ｓｈｅｌｌｎａｎｏｗｉｒｅａｒｒａｙｓｆｏｒｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ[Ｊ].Ｍａｔｅｒ.Ｃｈｅｍꎬ２００９ꎬ１９(３３):５９４５￣５９５１.[４]㊀ＧａｏＰＸꎬＷａｎｇＺＬ.Ｎａｎｏｐｒｏｐｅｌｌｅｒａｒｒａｙｓｏｆｚｉｎｃｏｘｉｄｅ[Ｊ].Ａｐｐｌ.Ｐｈｙｓ.Ｌｅｔｔꎬ２００４ꎬ８４(１５):２８８３￣２８８５. [５]㊀ＬａＭꎬＧｒｅｅｎｅＬＥꎬＪｏｈｎｓｏｎＪＣꎬｅｔａｌ.Ｎａｎｏｗｉｒｅｄｙｅ￣ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄｓｏｌａｒｃｅｌｌｓ[Ｊ].Ｎａｔｕｒｅｍａｔｅｒｉａｌｓꎬ２００５ꎬ４(６):４５５￣４５９.[６]㊀ＦｅｎｇＨꎬＺｈａｎｇＬꎬＬｉｎＷＷꎬｅｔａｌ.ＲｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎＺｎＯｓｉｎｇｌ￣ｃｒｙｓｔａｌ:ｇｒｏｗｔｈꎬｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｕｎｄｅｒ￣ｓｔａｎｄｉｎｇꎬａｎｄｄｅｖｉｃｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ[Ｊ].ＣｈｉｎＳｃｉＢｕｌｌꎬ２０１０ꎬ５９(１２):１２３５￣１２５０.[７]㊀ＺｃＲꎬＡｌｉｖｏｖＹＩꎬＬｉｕＣꎬｅｔａｌ.ＡｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｒｅｖｉｅｗｏｆＺｎＯｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｄｅｖｉｃｅｓ[Ｊ].ＡｐｐｌＰｈｙｓꎬ２００５ꎬ９８(４):４１￣５１.[８]㊀徐丽红ꎬ张莲莲.ＺｎＯ/Ａｕ纳米复合物的制备及光学性质的研究[Ｊ].大学物理实验ꎬ２０１４ꎬ２７(１):１￣２. [９]㊀ＹａｎｇＹＣꎬＳｏｎｇＣꎬＷａｎｇＸＨ.Ｕｉａｎｔｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｄ３３ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｉｎｆｅｒｒｏｃｌｅｃｔｒｉｃｖａｎａｄｉｕｍｄｏｐｅｄＺｎＯｆｉｌｍｓ[Ｊ].ＡｐｐｌＰｈｙｓＬｃｔｔꎬ２００８ꎬ９２(１):１２９￣１３７. [１０]陈忠平ꎬ王醉ꎬ徐泓ꎬ等.热氧化法制备ＺｎＯ纳米晶体㊁纳米线[Ｊ].大学物理实验ꎬ２０１０ꎬ２３(１):９￣１１. [１１]袁博ꎬ夏惠ꎬ王晓雄ꎬ等.ＺｎＯ纳米薄膜的电化学制备及其ＡＦＭ形貌表征[Ｊ].大学物理实验ꎬ２０１０ꎬ２３(３):１￣３.[１２]黄云霞ꎬ曹全喜ꎬ李智敏ꎬ等.Ａｌ掺杂ＺｎＯ粉体的第一性原理计算及微波介电性质[Ｊ].物理学报ꎬ２００９ꎬ５８(１１):８００２￣０６.[１３]张飞鹏ꎬ潘慧ꎬ黄晓亚ꎬ等.Ｃｕ掺杂氧化锌氧化物的热学性能[Ｊ].压电与声光ꎬ２０１５ꎬ３７(５):８５８￣８６２. [１４]张燕如ꎬ张琳ꎬ任俊峰ꎬ等.Ｇｄ掺杂ＺｎＯ纳米线磁耦合性质的第一性原理研究[Ｊ].２０１５ꎬ物理学报ꎬ６４(１７)１７８１０３.ＳｔｕｄｙｏｎＤｏｐｉｎｇＭｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＺｎＯＹＡＮＧＸｕｅꎬＺＯＵＨｅ(ＪｉｌｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＪｉｌｉｎＪｉｌｉｎ１３２０２２)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＺｉｎｃＯｘｉｄｅ(ＺｎＯ)ｂｙｄｏｐｉｎｇｃａｎｃｈａｎｇｅｉｔｓｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ.Ｉｔｅｘｈｉｂｉｔｌｏｗｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙｆｅａｔｕｒｅｓｗｅｌｌꎬａｎｄｈａｓａｇｏｏｄｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｈａｒｍｆｕｌｇａｓａｓｗｅｌｌａｓｃｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅｇａｓꎬｉｔｈａｓｂｒｏａｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｏｐｔｏｅ￣ｌｅｃｔｒｏｎｉｃｆｉｅｌｄ.ＴｈｅｔｈｅｏｒｙｍｅｔｈｏｄｓｏｆＺｎＯｄｏｐｅｄｗｉｔｈｖａｒｉｏｕｓｍｅｔａｌｓｓｕｃｈａｓＡｌꎬＣｕａｎｄＧｄａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄꎬａｎｄｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｄｏｐｅｄＺｎＯａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ.ＩｔｈａｓｃｅｒｔａｉｎｄｉｒｅｃｔｉｖｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｔｏｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｐｒａｃｔｉｃｅｏｆＺｎＯｄｏｐｉｎｇ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＺｎＯｄｏｐｉｎｇꎻｄｏｐｉｎｇꎻｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙꎻｍａｇｎｅｔｉｃ４４半导体ＺｎＯ掺杂改性研究。

《纳米棒状ZnO自组装结构的制备及其光电性能研究》篇一一、引言随着纳米科技的发展，ZnO纳米材料因其优异的物理和化学性质，如高激子结合能、高电子迁移率等，被广泛应用于光电器件、生物传感器、光催化剂等领域。

本文以纳米棒状ZnO自组装结构为研究对象，探讨了其制备方法及光电性能，旨在为ZnO纳米材料的应用提供理论依据。

二、制备方法1. 材料选择与准备本实验选用高纯度的ZnO粉末作为原料，通过溶胶-凝胶法进行制备。

此外，还需准备乙醇、去离子水、表面活性剂等辅助材料。

2. 制备过程首先，将ZnO粉末溶解在乙醇中，形成均匀的溶液。

然后，加入表面活性剂，在搅拌条件下使溶液形成溶胶。

接着，将溶胶置于适当的温度下进行凝胶化处理，使ZnO纳米棒自组装形成结构。

最后，对所得产物进行清洗、干燥，得到纳米棒状ZnO自组装结构。

三、结构与形貌分析1. 结构分析通过X射线衍射（XRD）对制备的纳米棒状ZnO自组装结构进行物相分析，结果表明，所得产物为六方纤锌矿结构的ZnO。

2. 形貌分析利用扫描电子显微镜（SEM）对样品进行形貌观察，发现ZnO纳米棒呈规则的棒状结构，且自组装形成紧密的结构。

此外，通过透射电子显微镜（TEM）对纳米棒的微观结构进行进一步观察，发现其具有较高的结晶度和良好的分散性。

四、光电性能研究1. 紫外-可见吸收光谱分析通过紫外-可见吸收光谱测试，发现纳米棒状ZnO自组装结构在紫外区域具有较高的光吸收能力。

此外，通过对光谱数据的分析，可以得到其禁带宽度等光电性能参数。

2. 光致发光性能研究光致发光性能是评价半导体材料光学性能的重要指标。

通过光致发光光谱测试，发现纳米棒状ZnO自组装结构具有较好的光致发光性能，发光峰位明确，半峰宽较窄。

这表明其具有较高的光学质量和较好的结晶度。

3. 电学性能研究通过电学性能测试，发现纳米棒状ZnO自组装结构具有较高的电子迁移率和较低的电阻率。

这些电学性能参数对于评估其在光电器件中的应用具有重要意义。

Mn掺杂对ZnO纳米晶的结构及光学性能的影响的
开题报告
题目：Mn掺杂对ZnO纳米晶的结构及光学性能的影响
摘要：
ZnO纳米晶具有广泛的应用前景，特别是在光电领域中。

掺杂是改变ZnO晶体结构和光学性能的重要方法之一。

本文将研究Mn掺杂对ZnO纳米晶的结构和光学性能的影响，并探讨其潜在的应用。

研究内容：
1. 合成Mn掺杂的ZnO纳米晶。

通过化学合成法制备Mn掺杂ZnO 纳米晶，调节合成条件以获得不同的晶体形态和尺寸。

2. 表征纳米晶的结构性质。

使用X射线衍射仪、扫描电子显微镜等分析工具对纳米晶的晶体结构、尺寸和形貌进行表征，研究Mn掺杂对ZnO纳米晶结构的影响。

3. 研究光学性能。

使用紫外可见分光光度计和荧光光谱仪等分析工具，研究Mn掺杂对ZnO纳米晶光学性能的影响，包括光吸收、荧光和发射方面的变化。

4. 探讨应用价值。

根据实验结果，探讨Mn掺杂ZnO纳米晶在光电领域中的应用价值，例如光电器件等。

意义和价值：
本研究探讨Mn掺杂对ZnO纳米晶结构和光学性能的影响，有助于深入理解掺杂ZnO纳米晶的机理，同时也为其在光电领域中的应用提供了实验基础和理论基础。

摘要:zno是一种宽禁带,高激子能的半导体,n掺杂能够减小禁带宽度,极大的改变zno的电子和光学性能。

本文介绍了目前对zno进行n掺杂的方法,并比较了各种方法的优缺点及n 掺杂对zno性质的影响。

关键词:半导体 n掺杂中图分类号:tn3 文献标识码:a 文章编号:1672-3791(2011)09(a)-0060-01zno是一种宽禁带,高激子能的半导体[1],由于其具有热电,光电,压电,磁电等性质,因而在太阳能电池[2],化学生物传感器,激光器等方面具有潜在的应用前景。

zno半导体禁带较宽,这种宽禁带不利用于其对光的吸收利用,因而限制其在光电器件方面的应用。

元素掺杂对材料性质影响很大,其中n元素的掺杂[3]引起了人们的广泛关注。

各种掺杂方法如磁控溅射,化学气相法,溶液法等都能够对zno进行n掺杂,以上各种方法各具优缺点,掺杂含量和掺杂后性质有很大不同。

本文介绍了目前对zno进行n掺杂的方法,并比较其特点。

1 n掺杂研究方法进展n的掺杂方法主要有:化学气相沉积法,磁控溅射法和溶液法等。

化学气象沉积法:通常有无机金属盐,氮气和氧气按一定比例,在加热情况下在硅片上进行金属沉积和生长,形成zno/n薄膜。

这种方法只能在耐高温的硬底上进行生长zno薄膜,受设备条件控制。

优点是薄膜的厚度可以通过生长时间来进行控制。

通过xps对n掺杂的zno进行分析,发现随着加热温度的升高,n的xps谱峰随之向高键合能方向偏移。

进一步研究发现,加热温度高于400℃是n 掺杂zno为n型半导体,温度低于400℃时,n掺杂zno为p型半导体。

温度为400℃时n掺杂zno为混合型半导体。

结果表明,随衬底温度的不同,薄膜呈现出不同的生长机理,从而影响薄膜的晶体结构和电学性能。

磁控溅射法:通常以惰性气体ar为载流气体,氮气为掺杂源,选择合适的气体室压强。

磁控溅射法制备n掺杂的zno所需时间短,目标产物薄膜厚度可以控制,能够得到p型半导体。

ZnO掺杂改性的第一性原理研究一、本文概述随着科技的不断进步，氧化锌（ZnO）作为一种宽禁带直接带隙半导体材料，在光电器件、太阳能电池、气体传感器等领域的应用前景日益广阔。

然而，纯ZnO在某些性能上仍存在一定的局限性，如导电性能、稳定性等。

为了提高ZnO的性能，研究者们常常通过掺杂改性的方式，引入其他元素来调控其电子结构和物理性质。

本文旨在通过第一性原理计算的方法，深入探究ZnO掺杂改性的电子结构和光学性质，以期找到提高ZnO性能的有效途径。

第一性原理计算是一种基于量子力学原理的计算方法，它能够从材料的原子结构出发，预测材料的各种性质。

相较于传统的实验方法，第一性原理计算具有成本低、周期短、可预测性强等优点，因此在材料科学领域得到了广泛应用。

本文将通过构建ZnO掺杂体系的计算模型，计算其电子结构、态密度、光学性质等，揭示掺杂元素对ZnO性能的影响机制。

本文首先将对ZnO的基本性质进行简要介绍，包括其晶体结构、电子结构等。

然后，将详细介绍第一性原理计算的基本原理和计算方法，以及本文所使用的计算软件和参数设置。

接着，将重点分析不同掺杂元素对ZnO电子结构和光学性质的影响，通过对比计算结果，找出最佳的掺杂元素和掺杂浓度。

将总结本文的主要研究内容和结论，展望ZnO掺杂改性在未来的应用前景。

通过本文的研究，希望能够为ZnO掺杂改性的实验研究和应用开发提供理论依据和指导，推动ZnO材料在光电器件、太阳能电池、气体传感器等领域的应用发展。

二、ZnO掺杂改性的理论基础ZnO作为一种宽禁带半导体材料，在光电器件、催化剂、透明导电薄膜等领域具有广泛的应用前景。

然而，纯ZnO的某些性能，如导电性、光催化活性等，往往不能满足实际应用的需求，因此需要通过掺杂改性来优化其性能。

掺杂改性的理论基础主要基于半导体物理和量子力学，涉及到掺杂元素的选择、掺杂浓度的控制以及掺杂对ZnO 电子结构的影响等方面。

掺杂元素的选择是掺杂改性的关键。

掺杂对氧化锌电阻特性的影响掺杂对氧化锌电阻特性的影响摘要：氧化锌（ZnO）是一种重要的半导体材料，在电子器件和传感器等领域有广泛的应用。

通过掺杂不同的杂质元素能够改变ZnO的电子结构和导电性能，从而对其电阻特性产生影响。

本文通过对不同掺杂方式和掺杂元素的研究总结，探讨了掺杂对ZnO电阻特性的影响，并展望了相关研究的发展趋势。

1. 引言氧化锌是一种多功能半导体材料，具有宽带隙、高透明性、优良的光电性能和热稳定性等特点，因此被广泛应用于发光器件、太阳能电池、传感器等领域。

为了进一步提高氧化锌的导电性能和优化其应用性能，研究人员开始通过掺杂不同的杂质元素对氧化锌进行改性，以满足不同应用的需求。

2. 掺杂对氧化锌电阻特性的影响2.1 杂质元素对载流子浓度的影响掺杂不同的杂质元素可以引入额外的自由载流子，改变氧化锌的载流子浓度。

例如，掺杂铝（Al）和铟（In）等三价元素可以引入空穴，使氧化锌呈现p型导电特性。

相反，掺杂钙（Ca）和锶（Sr）等二价元素可以引入额外的电子，使氧化锌呈现n型导电特性。

通过调控掺杂浓度和掺杂方式，可以实现对电阻率的调节，从而影响氧化锌的电阻特性。

2.2 杂质元素对能带结构的影响掺杂不同的杂质元素还可以改变氧化锌的能带结构，进而影响其导电性能。

例如，长光深紫外发光器件中常用的镧、镝等稀土元素掺杂可以引入能带能级，从而增加ZnO的能带结构。

这种能带结构改变可以增强氧化锌的电导率，改善其电阻特性。

3. 不同掺杂方式对氧化锌电阻特性的影响除了不同的杂质元素，不同的掺杂方式也会对氧化锌的电阻特性产生影响。

一般来说，无论是外延生长、溶胶凝胶、脉冲激光沉积等掺杂方式，都能够显著影响氧化锌的电阻特性。

例如，利用Shottky掺杂和阳极氧化等方法可以改变氧化锌的导电性能，实现对其电阻特性的精确调控。

4. 研究展望虽然目前对于掺杂对氧化锌电阻特性的研究已取得了一定进展，但仍面临一些挑战和待解决的问题。

《纳米（ZnO）_n团簇及其吸附重金属离子的结构及性质的DFT研究》篇一一、引言随着纳米科技的发展，纳米材料因其独特的物理和化学性质，在诸多领域中发挥着重要作用。

氧化锌（ZnO）因其优良的光学、电学及催化性能，被广泛应用于光电器件、传感器、催化剂等。

而ZnO团簇作为纳米材料的基本单元，其结构和性质的研究对于理解纳米材料的性能至关重要。

本文采用密度泛函理论（DFT）方法，对纳米（ZnO）_n团簇及其吸附重金属离子的结构及性质进行了研究。

二、方法与理论本研究所采用的理论方法是密度泛函理论（DFT），它是一种量子力学方法，可用于计算多粒子系统中电子的结构和动力学行为。

对于ZnO团簇及重金属离子吸附的研究，我们选取了合适的基组和交换关联函数，以确保计算的准确性和可靠性。

三、（ZnO）_n团簇的结构及性质（一）结构特点通过DFT计算，我们发现（ZnO）_n团簇具有独特的结构特点。

随着n的增加，团簇的形状和大小发生变化，但其基本的Zn-O配位结构保持不变。

每个锌原子周围都有四个氧原子配位，形成四面体结构。

这种结构使得（ZnO）_n团簇具有良好的稳定性和优异的物理化学性质。

（二）电子性质通过分析计算得到的电子密度分布和能带结构，我们发现（ZnO）_n团簇具有半导体性质。

其电子在能级间的跃迁行为决定了其光学和电学性质。

随着n的增加，能级间的能隙逐渐减小，使得团簇的导电性增强。

四、重金属离子在（ZnO）_n团簇上的吸附（一）吸附结构我们研究了多种重金属离子在（ZnO）_n团簇上的吸附行为。

通过DFT计算，我们发现重金属离子与团簇之间存在较强的相互作用，形成了稳定的吸附结构。

吸附后，重金属离子的电子结构和化学性质发生了显著变化。

（二）吸附性质吸附重金属离子后，（ZnO）_n团簇的电子性质和光学性质发生了明显变化。

这主要是由于重金属离子的引入改变了团簇的电子密度分布和能级结构。

此外，吸附过程还可能影响团簇的催化性能和稳定性。

Sm、Tm掺杂ZnO的光电特性及其在太阳能电池中的应用研究ZnO属于典型的II-VI族直接宽带隙氧化物,在常温条件下的带隙宽为3.37eV,激子束缚能可以达到60meV,性质非常稳定而且具有优异的光学、电学与磁学性能。

ZnO在太阳能电池、光电子器件、半导体激光器、新型电子显示器以及光催化剂等诸多领域有巨大的应用潜力,在短波长半导体领域是GaN后又一个关注热点。

通常情况下,纯ZnO由于其本征缺陷的存在呈现n型导电性,但其高温下的光电特性很不稳定。

在ZnO晶体中引入杂质原子进行掺杂,可以引入新的杂质能级,从而引发材料光电性质发生稳定转变。

对不同掺杂原子的不断试验有利于发现更优良透光性和导电性的ZnO材料,因此,掺杂ZnO已成为研究半导体材料领域的热点,而稀土系列元素由于特殊的原子壳层结构,以其作为掺杂源掺杂ZnO材料受到了国内外学者的广泛关注。

本文运用Materials Studio软件中的CASTEP子模块,借助第一性原理平面波超软赝势法,计算分析了稀土元素(Sm、Tm)掺杂ZnO前后的能带结构、态密度以及光学性质变化情况。

计算结果表明,掺杂后体系的能带部分变得稠密,出现新的杂质能级,费米能级从价带顶处上移进入导带部分,出现载流子简并现象,形成简并半导体,掺杂体系显示出更强的金属性,呈现良好的n型导电现象。

光学性质部分静态介电常数显著增大,掺杂体系的光学吸收性能获得了显著改善并且展现出明显的上转换效应。

设计了TCO/p-p-Si/n-ZnO:Sm(Tm)异质结薄膜太阳能电池,因Sm,Tm掺杂ZnO 薄膜良好的n型导电性质,非常适合用作电池PN结中的n型层,当掺杂薄膜用作电池的TCO透明导电电极时具有如下两点显著优势:1.改进了太阳光在透明导电电极的整体透过率,使得太阳光在透过电极层时的损耗大大降低。

2.可在受光面对太阳光进行光谱波段转换,让敏感波段光透过而被电池基底材料吸收,将非敏感波段光转变为敏感波段光再被基底材料吸收,从而最大程度实现对整个太阳光谱能量的充分利用。

毕业论文 (设计)论文题目：Fe掺杂ZnO纳米粒子的制备及表征学院：药学院专业：化学教育班级：一班指导教师：杨立滨学生姓名：岳瑞轩学号：0711014102佳木斯大学教务处毕业论文（设计）用纸Fe掺杂ZnO纳米粒子的制备及表征摘要: 目的开展Fe掺杂ZnO纳米粒子的制备及表征的研究工作。

方法以硝酸锌、硝酸铁、氢氧化钠等为原料，采用沉淀法合成Fe掺杂ZnO纳米粒子，并对样品进行表征。

用WCT-2A 型热重分析仪对样品进行TG-DTA测试；用X-射线衍射仪测试样品的晶型结构；用UV-Vis 分光光度计记录样品DRS光谱。

结果通过沉淀法成功地合成了纯ZnO、及Fe含量为（0.5%、1%、3%、5%）的Fe-ZnO纳米粒子，并对样品进行表征。

结论掺杂的铁离子进入了ZnO的晶格取代了锌，拓展了样品的光学响应范围；并且，适量的Fe掺杂也丰富了ZnO纳米粒子的表面态（表面缺陷）并改善了与之相关的光生载流子的分离效率。

关键词：ZnO；Fe掺杂；沉淀法；表征佳木斯大学教务处第I页毕业论文（设计）用纸Fe Doped ZnO Nanoparticles and Characterization Abstract: Object Fe doped ZnO nanoparticles to carry out the preparation and characterization of the study. Methods zinc nitrate, ferric nitrate, sodium hydroxide as raw materials, synthesis of Fe doped ZnO precipitation of nanoparticles, and the samples were characterized.With a WCT-2A type TGA TG-DTA samples were tested; By X-Ray diffraction crystal structure of the test sample; using UV-Vis DRS spectra recorded sample spectrophotometer. Results Successfully synthesized through the precipitation of pure ZnO, and Fe content (0.5%, 1%, 3%, 5%) of the Fe-ZnO nano-particles, and the samples were characterized. Conclusions Iron doped into the ZnO lattice replaced by zinc, corresponding to expand the scope of the optical sample; and the appropriate amount of Fe doped ZnO nanoparticles are also enriched in the surface states (surface defects) and the associated improved Photogenerated carrier separation efficiency.Keywords:ZnO; Fe doped; precipitation; Characterization佳木斯大学教务处第II页毕业论文（设计）用纸佳木斯大学教务处目录摘要 (Ⅰ)Abstract (Ⅱ)前言 (1)1 仪器试剂 (11)1.1 仪器 (11)1.2 试剂 (11)2 实验方法 (11)2.1 Fe-ZnO纳米粒子的制备 (11)2.1.1 纯ZnO前驱物的制备 (12)2.1.2 Fe-ZnO前驱物的制备 (13)2.1.3 目标产物Fe-ZnO纳米粒子的制备 (13)2.2 样品表征 (13)3 实验结果 (13)3.1 TG-DTA测试 (13)3.2 XRD测试 (14)3.3 UV-Vis DRS测试 (16)4 讨论 (17)结论 (18)致谢 (19)参考文献 (20)附录 (21)附录Ⅰ（英） (21)附录Ⅱ（中） (24)毕业论文（设计）用纸前言氧化锌(ZnO)是一种重要的直接宽带隙半导体材料，其室温禁带宽度为3.37 eV。