《Cu、Fe掺杂ZnO的第一性原理研究》

技术简介：

氧化锌(Znicoxide)作为一种物理化学性质稳定、光电性能优良的化合物,在金属表面处理、半导体等行业的制造领域中应用广泛。然而,随着高精端仪器、光电器件快速发展以及人们对ZnO材料压电性能和光学性能的愈加严格要求,如何改良ZnO材料压电、光学性能成为当前的一个重要研究热点。已有研究发现,一定浓度的过渡金属元素(Cu、Fe)掺杂可以提高其压电以及光学性能表现。然而,目前还缺乏Cu、Fe掺杂对ZnO材料微观作用机理的系统研究和理论分析,从而导致高性能ZnO材料制备试错成本较高。针对以上问题,本文通过第一性原理(First-principles)的方法,计算了不同浓度Cu、Fe掺杂ZnO晶胞后的晶体结构、弹性性能与电子结构,从微观角度系统地研究了Cu、Fe掺杂对ZnO压电性能与光学性能的作用机理,主要研究内容和结论如下:(1)通过MaterialsStudio软件建立本征ZnO模型以及不同浓度Cu、Fe单掺杂ZnO的超胞模型,每个晶胞均采用替换式掺杂,以此来实现不同的掺杂浓度(1.4%、2.8%、4.1%、5.5%)。随后对Zn_(36)O_(36)体系截止动能和K点网格进行收敛性测试,结果表明最适宜的截止动能为550eV,K点网格为4×4×4。(2)Zn_(36)O_(36)、Zn_(36-x)Cu_xO_(36)、Zn_(36-x)Fe_xO_(36)体系晶体结构、压电性能研究。首先采用VASP模拟计算出掺杂体系的晶胞参数(a、b、c)、弹性常数(C_(33))与压电应力系数(e_(33))等参数,进而得到压电应变系数(d_(33))。进一步研究表明,掺杂后的Zn_(36-x)Cu_xO_(36)、Zn_(36-x)Fe_xO_(36)晶胞参数、晶胞体积以及键长均有所变化,掺杂元素Cu、Fe的离子半径与Zn不同,晶体结构发生一定程度的畸变,但体系结构保持不变。此外,还发现Cu、Fe掺杂导致泊松比增大、共价键减弱,造成弹性软化,使得体系压电系数增加,从而显著提高压电性能。(3)Zn_(36)O_(36)、Zn_(36-x)Cu_xO_(36)、Zn_(36-x)Fe_xO_(36)体系电子结构以及光学性能研究。通过VASP计算得到体系的能带结构、态密度,分析其电子结构,发现ZnO为宽禁带直接间隙半导体,掺杂后禁带宽度有所减小。计算得到体系的复介电函数、吸收谱、反射谱以及能量损失函数,研究发现掺杂后体系光学性能在高能区域变化并不明显,但紫外区域的光吸收能力增加,光电转换效率提高,同时也伴随能量上的损失。

研发人员：于文涛