Sb,S共掺杂SnO2电子结构的第一性原理分析
丁超;李卫;刘菊燕;王琳琳;蔡云;潘沛锋
【摘 要】基于第一性原理的密度泛函理论和平面波超软赝势法,采用广义梯度近似算法研究了Sb,S两种元素共掺杂SnO2材料的电子结构与电学性质.电子结构表明:共掺杂后材料仍然为n型导电直接带隙半导体;电荷密度分布改变,S原子与Sn,Sb原子轨道电子重叠加剧.能带结构表明,Sb,S共掺SnO2在能带中引入新的能级,能带带隙相比于单掺更加窄化,费米能级进入导带表现出类金属特性.电子态密度计算结果进一步证实了电子转移的正确性:在价带中部,S原子轨道与Sn,Sb轨道发生杂化,电子转移加剧,价带顶部被S 3p轨道占据,提供了更多的空穴载流子,价带顶上移;随着S掺杂浓度的增加,带隙宽度继续减小,导带逐渐变窄,导电性能呈现越来越好的趋势.
【期刊名称】《物理学报》
【年(卷),期】2018(067)021
【总页数】7页(P121-127)
【关键词】共掺;SnO2;第一性原理;电子结构
【作 者】丁超;李卫;刘菊燕;王琳琳;蔡云;潘沛锋
【作者单位】南京邮电大学电子与光学工程学院、微电子学院,南京 210023;南京邮电大学电子与光学工程学院、微电子学院,南京 210023;东南大学毫米波国家重点实验室,南京 210096;南京大学物理学院,南京 210093;南京邮电大学电子与光学工程学院、微电子学院,南京 210023;南京邮电大学电子与光学工程学院、微电子学院,南京 210023;南京邮电大学电子与光学工程学院、微电子学院,南京 210023;南京邮电大学电子与光学工程学院、微电子学院,南京 210023
【正文语种】中 文
1 引 言
近年来,半导体相关领域越来越关注宽带隙半导体材料.这些材料以其可见光透过率高、热稳定性好、激子束缚能高等优点被应用于透明导电氧化物薄膜[1,2].主要包括ZnO,In2O3,SnO2等.目前市场上主流的透明导电材料是Sn掺杂的In2O3,但是稀有金属In价格昂贵,成本太高;因此,开发新的材料势在必行,Al掺杂的ZnO[3]和Sb掺杂的SnO2[4]是被广泛认可的替代材料,但是ZnO材料的自偿性严重,且p型ZnO的稳定性较差.相比而言,SnO2材料电阻率低,具有很宽的带隙(3.6 eV),在紫外-可见光波长区域具有更高的透过率,且激子束缚能更高(130 meV),远大于室温下分子的热离化能26 meV,因此具有良好的化学稳定性.由于其优良的光电性能,通过掺杂优化可以应用于气敏传感器[5−9]、透明电极[10,11]、太阳电池[12−15]等技术领域.
过渡金属掺杂和插层对二维材料性能调控的第一性原理研究
通常情况下二维材料的物理或化学性质未能满足未来纳米电子器件材料的所有要求。过渡金属掺杂能够有效的调控二维材料的电子结构并引入磁性,从而为二维材料在自旋电子器件和磁存储方面的应用提供材料基础。
本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了过渡金属掺杂磷烯、硫化铊对材料电子结构和磁性的调控,以及过渡金属插层对磷烯和硫化铊异质结电子结构和磁性的调控。这为他们在自旋电子器件相关领域的应用提供了理论基础。
本文的研究主要可分为以下三个方面:1)研究了4d过渡金属取代掺杂和吸附掺杂对磷烯电子性质与磁性的调控。结果表明在单个4d过渡金属掺杂的体系中,磁矩随着4d金属价电子的改变而变化。
同时4d过渡金属的掺杂改变了磷烯的电子结构,使体系表现为半金属、金属和半导体性质。当用两个不同种类的过渡金属掺杂时体系容易表现出稀磁半导体性质,磁矩局域的分布在过渡金属附近,近邻的磷原子有少部分磁矩。
2)研究了3d和4d过渡金属对单层硫化铊电子结构和磁性的调控。无论是低掺杂浓度还是高掺杂浓度,所有过渡金属原子都向Tl2S转移电荷,表现出n型掺杂。
过渡金属的掺杂对硫化铊的电子结构和磁性都有显著的调控作用。过渡金属的掺杂使Tl2S表现出金属、半金属、半导体等性质。
此外在两个同种原子掺杂使Tl2S展现出不同的磁耦合如:顺磁性、铁磁和反铁磁。3)研究了磷烯/硫化铊（BP/Tl2S）异质结和具有过渡金属插层的BP/Tl2S异质结的电子结构和磁性。 结果表明BP/Tl2S是Ⅰ类型的范德瓦尔斯异质结,间接带隙为0.79 eV。利用张力,可以调控能带从间接到直接、半导体到金属的转变。
过渡金属插层可以使体系表现为金属、半金属、半导体等性质。部分体系表现出稀磁半导体性质。
这些结果为BP/Tl2S异质结在未来的自旋电子器件中的应用开辟新的道路。
第四章 B掺杂TiO2结构与性质的第一性原理研究
4.1 引言
二氧化钛(TiO2) 是一种半导体材料，其带隙较宽(3.0-3.2eV)[1]，属于宽带隙半导体范畴。TiO2在自然界中存在三种晶体结构：锐钛矿型、金红石型和板钛矿型，其中锐钛矿型和金红石型TiO2晶型结构如图4-1所示。锐钛矿型TiO2为四方晶系，其中每个八面体与周围8个八面体相连接(4个共边，4个共顶角)，4个TiO2分子组成一个晶胞。
(a) (b)
图4-1 TiO2晶体结构(a)锐钛矿型；(b)金红石型
Fig.4-1 Crystal structures of TiO2 (a) Anatase ; (b) Rutile TiO2的光催化机理如下[2]：如图4-2所示，半导体材料的特征是具有一个填满电子的低能价带(valence band)和空的高能导带(conduction band)，价带和导带之间存在禁带(或称带隙band gap)。当用能量等于或大于禁带宽度的光照射半导体时，价带上的电子(e-)被激发跃迁至导带，在价带上产生相应的空穴(h+)，即电子-空穴对的产生。电子-空穴对能够在电场作用下分离并分别迁移到半导体材料的表面。光生空穴(h+)有很强的得电子能力，具有强氧化性，可夺取半导体颗粒表面吸附物质或溶剂中的电子，使原本不吸收光的物质被活化氧化，而半导体颗粒表面的电子受体则通过接受传输至表面的光生电子(e-)而被还原。
由此，我们了解到TiO2的光催化反应过程涉及三个顺序相接并相互影响的基本步骤，这些步骤包含了光学吸收、自由电荷在凝聚态中的传输、自由电荷的捕获与复合、载流子(光生电子和空穴)的寿命以及表面氧化还原反应等一系列过程和丰富的物理化学信息。这充分表明了要想对光催化过程有一个全面深入和准确详尽的了解，需要从光学、电子学、凝聚态、化学和量子力学等多个学科角度的共同努力方可实现。
Ｖｏ１．２５ Ｎｏ．１ Ｊａｎｕａｒｙ ２００８ 安徽工业大学学报（自然科学版）
Ｊ．ｏｆ Ａｎｈｕｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ１ 第２５卷
２００８钲 第１期
１月
文章编号：１６７１—７８７２（２００８）０１－００３４—０５
Ｃｏ２ＭｎＺ（Ｚ＝Ｓｉ，Ｇｅ）半金属Ｈｅｕｓｌｅｒ合金原子
反位无序的ＸＲＤ研究
童六牛，韩怀宾，邓彩莲
（安徽工业大学材料科学与工程学院；安徽省高校金属材料加工重点实验室，安徽马鞍山２４３００２）
摘要：通过建立Ｘ，＿ＹＺ三元亥斯勒（Ｈｅｕｓｌｅｒ）合金原子无序度的ＸＲＤ理论模型，计算并分析了Ｃｏ２ＭｎＺ（Ｚ＝Ｓｉ，Ｇｅ）合金中６类优先原 子反位无序对（１ １ １）和（２０ｏ）超晶格衍射峰相对强度的影响。对Ｃｏ２ＭｎＳｉ亥斯勒合金的实验ＸＲＤ结果分析表明，Ｃ￣ＭｎＳｉ合金中 主要存在Ｃｏ—Ｍｎ和Ｃｏ—Ｍｎ—Ｃｏ的原子反位无序。这一合金原子无序类型的ＸＲＤ表征结果与中子衍射实验的结论相一致。 关键词：Ｈｅｕｓｌｅｒ合金；半金属；无序度 中图分类号：０４８４．４ 文献标识码：Ａ
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ａｎｔｉｓｉｔｅ Ｄｉｓｏｒｄｅｒ ｂｙ ＸＲＤ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｈａｌｆ－ｍｅｔａｌ
ｏｆ Ｃｏ２ＭｎＺ（Ｚ＝Ｓｉ，Ｇｅ）Ｈｅｕｓｌｅｒ Ａｌｌｏｙｓ
ＴｏＮＧ Ｌｉｕ－ｎｉｕ，ＨＡＮ Ｈｕａｉ－ｂｉｎ，ＤＥＮＧ Ｃａｉ－ｌｉａｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ａｎｈｕｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ａｎｈｕｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍｅｔａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｍａ ａｎｓｈａｎ ２４３００２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ Ｘ—ｒａｙ ｄｉｆｒａｃｔｉｏｎ ｆＸＲＤ１ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａｎｔｉｓｉｔｅ ｄｉｓｏｒｄｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｔｅｒｎａｒｙ
