Ag、Ag-N掺杂对ZnO光电性能的影响

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氧化锌是一种新型Ⅱ-Ⅵ族化合物,具有无毒无污染、原料丰富易得、制备成本低、热稳定性和化学稳定性高等优点。氧化锌的带隙和激子束缚能较大,在室温下, ZnO具有3.37eV的直接宽禁带,60meV的高激子束缚能,在可见光区域透明,有优异的常温发光性能,在气体传感器、压敏电阻、液晶显示器、太阳能电池、紫外半导体激光器、透明导电薄膜以及稀磁半导体等方面具有广泛的应用前景。  尽管在国内外对Ag单掺和Ag-N共掺ZnO光电性能影响的研究有一定的进展,但是研究过程中仍存在不足之处。Ag掺杂对 ZnO吸收光谱影响的研究仍存在着分歧,为了解决该问题,采用自旋密度泛函理论(DFT)框架下的广义梯度近似(GGA+U)的方法,用第一性原理研究了Ag掺杂ZnO体系的电子结构和吸收光谱分布的影响。计算结果表明,当Ag掺杂ZnO的摩尔数为0.0278-0.0417的范围内,随着Ag掺杂浓度的增加,掺杂体系晶格常数越增加,体积越增加,总能量越升高,稳定性越下降,体系形成能越增加,掺杂越难,带隙越变窄,吸收光谱分布越红移,研究发现,带隙和吸收光谱发生分歧的主要原因,除了掺杂浓度外,与掺杂体系的空间尺度有一定的关系。  为了解决在Ag-N共掺对ZnO性能影响的研究中Ag原子和N原子随机占位而没有考虑ZnO的非对称性的问题,采用基于密度泛函理论框架下的广义梯度(GGA+U)的方法,对六种相同掺杂方式不同掺杂浓度,以及相同掺杂浓度不同掺杂方式的Ag-N成键共掺 ZnO体系超胞模型的能带结构和态密度进行了第一性原理计算。计算结果表明,在掺杂浓度相同时,沿垂直于c轴方向Ag-N成键共掺体系比沿c轴方向Ag-N成键共掺体系更稳定,掺杂更容易。在相同掺杂方式不同掺杂浓度时,随着掺杂浓度的增加,Ag-N成键共掺体系稳定性下降,掺杂更困难;与纯的ZnO单胞相比,沿垂直于c轴方向Ag-N成键共掺体系的最小光学带隙变窄,吸收光谱发生红移,随着掺杂浓度的增加,吸收光谱的红移越显著。  在相同条件下, Ag-N共掺对ZnO电导率影响的结果,存在相悖的问题,为了解决该问题,采用基于密度泛函理论框架下的广义梯度(GGA+U)的方法,对相同掺杂方式不同掺杂浓度 Ag-N共掺 ZnO体系的能带结构和态密度进行了第一性原理计算。计算结果表明,随掺杂浓度的增加,沿垂直于c轴方向Ag-N成键共掺ZnO超胞体系的相对自由空穴浓度增大,价带顶空穴的有效质量减小,电离能减小,Bohr半径增大,电导率增大,导电性能增强。  通过模拟计算研究,获得了Ag单掺和Ag-N共掺对ZnO的光学和导电性能的可靠数据,解决了实验研究中存在的不足,这对设计和制备新型 ZnO掺杂体系的光电功能材料有一定的理论指导意义。
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