mgo和zno基纳米材料理论的研究

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1、UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor’Sdegree囤TheoreticalinvestigationofMgOandZnO--basednanomaterials中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：签字日期：中国科学技术大学学位论文授

2、权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。口公开口保密(——年)作者签名：签字日期：导师签名：摘要与体结构相比，一维纳米线材料的性质受更多因素的影响，比如化学组分、径向尺寸、轴向和径向的取向

3、、表面特征等等。我们可以通过对这些参数的调控可以实现材料的人工剪裁。在众多一维材料中，MgZnO纳米线备受关注，这是由于ZnO是一种典型的宽禁带半导体材料，对应的带隙是3．37eV，激子束缚能高达60meV，远高于室温能提供的热激活能(26meV)。因此，ZnO在室温或者更高温度的紫外发光器件等领域具有很广泛的应用前景。另一方面，MgO体材料带隙高达7．8eV，而M92+半径与Zn2+半径很接近，Mg替换Zn后不会引入较大的晶格畸变。基于纳米线本身丰富的可调参数和MgO与ZnO的上述性质，人们对MgZnO纳米线进行了广泛的实验研究，期望

4、通过改变Mg的浓度和纳米线各个参数，使得体系的带隙能够从3．37到7．8eV连续可调。从而获得在紫外区域任一波段工作的一维纳米材料。尽管实验上已取得了很多成果，但要理解其内在机理，进一步的理论研究是必要的。本论文主要利用第一性原理的方法对MgZnO合金纳米线，ZnO／MgZnO径向和轴向异质结构纳米线的结构和电子结构性质进行了详细的研究。我们的计算将有助于理解Mg浓度和纳米线结构参数对带隙的调节作用，同时对制备特定带隙的MgZnO纳米线具有参考意义。此外，我们还简要研究了MgO单层和YSZ(Y203稳定的Zr02)薄膜的结构以及它们的电

5、子结构性质。预言了两种新的MgO(100)单层结构，同时揭示了对于核冷却装置的YSZ氧探测器，YSZ薄膜的取向对探测器性能的影响。本论文主要包括以下六章。第一章主要从实验上总结了MgZnO合金纳米线，ZnO／MgZnO径向和轴向异质结构纳米线的结构和性质，主要是三种纳米线的电子结构和光学性质随Mg浓度、纳米线结构参数的改变。然后简要介绍了实验和理论上对MgO薄膜的电子结构和YSZ体结构中氧迁移的研究现状。第二章简要介绍了理论计算所用到的密度泛函理论以及本论文采用的计算软件包。第三章主要讨论了MgxZnl．xO合金纳米线的结构、电子结构性

6、质和光学性质随Mg浓度和纳米线尺寸的变化趋势。以尺寸最大的合金纳米线为例(D=3．23nm)，通过计算我们发现对于低浓度(X<30％)的合金纳米线，Mg原子倾向于离散分布，这与实验上在制备合金纳米线时没有观察到MgO相是一致的。通过对纤锌矿和岩盐矿结构的合金纳米线结合能的计算，我们得到了合金纳米线从纤锌矿到岩盐矿结构的相变点为x=0．65，稍高于实验上观察到的合金薄膜从混合相到四方相的转变点忙O．62)。在电子结构上，Mg的掺入通过提升导带底，降低了价带顶改变纳米线带隙。当Mg浓度从0增加到30％时，实现了对纳米线带隙从3．37到4．0

7、2eV的线性调节。同时，体系的光吸收峰也相应地随着Mg浓度的增加而蓝移。第四章讨论了ZnO／MgZnO径向异质和轴向异质结构纳米线的结构和电子结构性质。对于ZnO／MgZnO径向异质(核壳)纳米线，我们发现Mg浓度和MgZnO壳的尺寸能够同时调节纳米线的带隙，但两者调节带隙的方式不同。Mg的作用主要是降低价带顶，而合金壳的尺寸主要是通过影响核内Zn．O键长来调节体系导带底，并且带隙随这些参数的变化趋势能用一经验公式较好地描述。此外，我们还计算了纳米线的径向静电势分布。对于ZnO／MgZnO轴向异质纳米线，我们研究了Mg在纳米线中的分布行

8、为和对纳米线稳定性的影响。在电子结构方面，与核壳纳米线类似，ZnO量子阱与MgZnO量子势垒尺寸比和Mg浓度能够同时调节轴向异质纳米线的带隙。第五章主要研究了MgO．(111)和(100)单层和条带的结构和