cu掺杂zno电子结构和光学性质的第一性原理研究

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1、Cu掺杂ZnO电子结构和光学性质的第一性原理研究潘凤春林雪玲高华孙建军陈焕铭宁夏大学物理与电子电气工程学院银川一中摘要：棊于密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法，研宄YCu掺杂纤锌矿ZnO体系的电子结构和光学性质.计算结果表明，当Cu掺杂的原子百分比为4.17%时体系的光学吸收性能最好，且在可见光区出现了新的吸收峰.电子结构的分析表明,Cu的引入可以在体系的费米能级引入由Cu-3d电子和0-2p电子相互作用形成的杂质能级，价电子由eg能级向tg能级跃迁吸收的最小光子能量约为0.12eV,这使得Cu掺杂的Z

2、nO体系的光学吸收边落在丫红外光区，同时杂质能级的出现降低了ZnO体系的禁带宽度，提升了ZnO半导体材料对长波光子的响应并有效改善ZnO半导体的光催化活性.关键词：ZnO;Cu掺杂;电子结构;光学性质;第一性原理计算;作者简介：林雪玲，女，副教授，硕士生导师.收稿日期：2017-06-31基金：宁夏高等学校科学研究资助项目(NGY2015031)ELECTRONICSTRUCTUREANDOPTICALPROPERTIESOFCUDOPEDZNO:THEFIRST-PRINCIPLESCALCULATION

3、SPanFengchunLinXuelingGaoHuaSunJianjunChenHuanmingSchoolofPhysicsandElectronic-ElectricalEngineering，NingxiaUniversity;YinchuanNo.1MiddleSchool;Abstract：TheelectronicstructuresandopticalpropertiesofCudopedwurtziteZnOareinvestigatedsystematical1ybythefirst-

4、principlescalculationsbasedonthedensityfunctionaltheory(DFT).TheresultsshowthatthedopedZnOsystemwith4.17%Cupossessesthebestlightabsorptionperformance,inwhichanewabsorptionpeakappearsinthevisiblelightregion.Theanalysisonelectronicstructurefurtherindicatesth

5、attheintroducedimpuritylevelismainlycluetothecouplingoftheCu~3dand0-2pinthedopedsystem,whichlocatesneartheFermilevel.Theminimalabsorptionenergybetweenegtotgisabout0.12eV，whichmeanstheabsorptionedgeofCudopedZnOsystemlocatesintheinfraredregion.Meanwhile,thei

6、mpuritylevellowerstheband-gap,enhancestheresponcetothelongwavephotonsandthereforefacilitatestheenhancementofthephotocatalyticefficiencyofZnO.Keyword：ZnO;Cudoped;electronicstructure;opticalproperties;first-principlescalculations;Received：2017—06—311引言纤锌矿氧化锌

7、（ZnO）属于U-Vi族直接带隙氧化物半导体材料，室温禁带宽度为3.37eV，激子束缚能高达60meV£U,可以实现室温下的激子发射.作为新一代的半导体材料，Zn0具有优异的磁、光电性能，在光探测器、透明导电薄膜、发光二极管、气敏传感器、电致荧光器件和液晶显示器等领域有着广泛的应用［2-5］.Tang等人M关于Zn0薄膜的紫外受激发射现象的报道，使Zn0成为当今半导体材料研宄领域的热点，通过掺入杂质粒子在Zn0带隙中引入杂质能级或改变Zn0半导体材料的结构和电子结构进而改变Zn0体系的磁、光电特性是常用的一

8、种方法.实验上的研宄有:Song等人m通过对光透射谱的研宄发现了Zno.96Coo.40体系566、612和657nm的光吸收峰;Minami等人M发现了Sc和Y掺杂的Zn0体系的导电性显著增强;Chen等人M利用溶胶-凝胶法制备的La掺杂的ZnO薄膜，其禁带宽度变大，在可见光范围内具有极高的透射性.第一性原理计算的方法常用来材料的结构设计和性能的预测:靳等人［10］研究发现Mg的掺杂会导致Zn0体系的禁带宽度增