【摘 要】
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ZnO材料在光电领域具有很大的应用价值。为了满足各种实际应用需求,需要对ZnO材料进行能带工程的研究。使用阴离子或者阳离子掺杂合金化形成多元合金是一种广泛有效的方法。但目前对于ZnO基四元合金的电子结构和热力学性质等还没有给出系统化的研究,而ZnO四元合金的电子结构和热力学性质对于研究ZnO基合金材料后期的生长条件、控制合金的组织与性能、在光电领域的实际应用都具有重要的意义。二维过渡族硫化物因其具
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ZnO材料在光电领域具有很大的应用价值。为了满足各种实际应用需求,需要对ZnO材料进行能带工程的研究。使用阴离子或者阳离子掺杂合金化形成多元合金是一种广泛有效的方法。但目前对于ZnO基四元合金的电子结构和热力学性质等还没有给出系统化的研究,而ZnO四元合金的电子结构和热力学性质对于研究ZnO基合金材料后期的生长条件、控制合金的组织与性能、在光电领域的实际应用都具有重要的意义。二维过渡族硫化物因其具有较大的比表面积和量子尺寸效应,从而具有不同于体材料的优异性能。并且相较于石墨烯材料具有带隙可调节的特点,使其广泛应用于光电子学等领域。对二维MoS2中掺杂W形成三元合金的电子结构性质和动力学的理论研究,为后期实验的合成以及在电子器件和能源技术等领域的实际应用提供了基础。本文主要运用了第一性原理计算研究了四元半导体合金BexZn1-xO1-ySy（0≤x≤1,0≤y≤1）、CdxZn1-xO1-ySy（0≤x≤1,0≤y≤1）、MgxZn1-xO1-ySy（0≤x≤1,0≤y≤1）和BexMgyZn1-x-yO（0≤x≤1,0≤y≤1,x+y≤1）的电子结构和热力学特性,同时对二维过渡金属硫化物三元合金的电子结构和动力学性质也进行了研究。论文主要研究内容与结论如下:在BexZn1-xO1-ySy合金中,T=0 K时的热力学平衡组分相图表明随着掺杂元素Be、S含量的增加,在纤锌矿—闪锌矿—岩盐矿三相之间发生相结构的转变。同时在相图中存在三相平衡点分别为:Be0.34Zn0.66O0.65S0.35和Be0.46Zn0.54O0.73S0.27。在不同相结构的四元合金中出现了随温度和成分变化的溶解度间隙岛,结果表明Be、S共掺可以提高掺杂元素在合金中的固溶度,减小失稳分解,提高合金质量。并且给出了不同相结构的四元合金随成分变化的带隙调控结果:岩盐矿相带隙调控范围是3.20 eV至11.72 eV、纤锌矿相调控范围为3.38 eV至10.40 eV以及闪锌矿相四元合金调控范围为3.46 eV至10.27eV。在CdxZn1-xO1-ySy合金中,T=0 K时的热力学平衡组分相图表明随着掺杂Cd、S含量的增加,主要发生纤锌矿—闪锌矿—纤锌矿的相转变过程,只有在近CdO端出现岩盐矿相。其中在两个相结构相交线上的合金为两相共存。在不同相结构的四元合金中出现了随温度和成分变化的溶解度间隙岛,结果表明Cd、S共掺可以减少晶格畸变并增加掺杂元素在ZnO中的固溶度。四元合金带隙调控结果为:对于纤锌矿相,带隙的调控范围为2.21～4.31 eV;闪锌矿相的带隙调控范围为1.54～4.30 eV;岩盐矿相的带隙调控范围为2.15～3.91 eV。在MgxZn1-xO1-ySy合金中,T=0 K时的热力学平衡组分相图表明随着掺杂Mg、S含量的增加,主要发生纤锌矿—闪锌矿—岩盐矿的相转变过程,存在三相共存点Mg0.77Zn0.23O0.95S0.05,在两个相结构相交线上的合金为两相共存。在不同相结构的四元合金中都出现了随温度和成分变化的溶解度间隙岛,结果表明Mg、S共掺可以减少晶格畸变,提高合金质量。带隙调控结果为:对于纤锌矿相,带隙的调控范围为2.95～6.08 eV;闪锌矿相的带隙调控范围为3.52～6.49 eV;岩盐矿相四元合金的带隙调控范围为3.20～7.74 eV。在BexMgyZn1-x-yO中,T=0 K时的随成分变化的热力学平衡相图表明Be、Mg共掺的四元合金主要为纤锌矿结构,在Be含量为0～0.07、Mg含量为0.78～0.93时为岩盐矿结构,在掺杂Be含量为0.62～0.98、Mg含量为0～0.08和Be为0～0.02、Mg为0.38～0.65时四元合金为闪锌矿结构。在岩盐矿相中,随着掺杂Be、Mg含量的变化合金带隙可以在3.9 eV至11.74 eV范围内进行调控;在纤锌矿相中,随着掺杂Be、Mg含量的变化合金带隙可以在3.44 eV至10.42 eV范围内进行调控;在闪锌矿相中,随着掺杂Be、Mg含量的变化合金带隙可以在3.64 eV至10.26eV范围内进行调控。同时本工作将第一性原理计算与团簇展开法结合对二维WxMo1-xS2合金（0≤x≤1）的电子结构和动力学特性进行了研究。团簇展开法预测了WxMo1-xS2合金的三个基态结构:W1/3Mo2/3S2、W1/2Mo1/2S2和W2/3Mo1/3S2;并得出了相应的有序-无序合金的相转变温度,T1/3=102.3K、T1/2=87.8K、T2/3=102.2K。采用G0W0方法计算了WxMo1-xS2合金带隙,结果表明随W掺杂含量的增加合金带隙非线性增加;声子计算表明WxMo1-xS2合金在动力学上是稳定的。
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