wo3纳米线电子结构与气体吸附性能的研究

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2、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要WO3是一种用途广泛的宽禁带半导体材料，在传感器、场发射器件、发光器件等领域有良好的应用前景。特别地，一维WO3纳米线是一种性能优良的气敏材料，可用于高灵敏度气体传感器中实现对各种毒性危险性气体的探测。本论文基于密度泛函理论的第一性原理计算的方法研究了WO3纳米线不同表面结构、生长方向及线直径对电子结

3、构的影响及WO3纳米线的NO2气体吸附性能。WO3纳米线的表面结构明显影响纳米线的电子能带结构、带隙和态密度。以氧单层封闭的纳米线，表面钝化后其带隙由于量子限域效应比体材料展宽了0.257eV；以裸氧层封闭的WO3纳米线由于O=O结构的存在使得费米面上存在很大的电子态密度，而以WO2面封闭表面的WO3纳米线则呈现出金属性质。WO3纳米线带隙随纳米线直径的减小而逐渐增大，表现出明显的量子限域效应。生长方向的变化造成WO3纳米线的电子重新排布。沿[001]方向生长的纳米线带隙受量子限域效应和晶胞中周期性

4、氧氧长短键结构的共同影响，导致其带隙变化并不完全符合量子限域效应。当WO3纳米线表面悬挂键被饱和后，纳米线处于稳定的状态，表面态密度低，NO2在其表面吸附后与纳米线之间的电子转移数目很小（0.04e），用于气体传感器难以获得高的灵敏度。因此，要使WO3纳米线接触NO2气体后具有高的灵敏度，必须保证纳米线表面存在高密度表面态。当WO3纳米线吸附氧离子形成以裸氧层封闭的表面时，除NO2分子本身对纳米线电子的吸收作用外，NO2在WO3纳米线表面的吸附还导致了纳米线中更多的电子转移到表面吸附氧上，这种附加的

5、电子转移特性可从微观上解释WO3纳米线对NO2气体具有高灵敏度的敏感机理。关键词：WO3纳米线；电子结构；气敏机理；密度泛函ABSTRACTWO3isawidebandgapsemiconductormaterial,whichhasgoodapplicationprospectandwidelyuseinthefieldofthesensor,fieldemission,thelightemittingdevices,etc.Especially,theone-dimensionalWO3nano

6、wiresaresensitivematerialwithexcellentperformance,whichcanbeusedtodangerousandtoxichigh-sensitivitygasdetection.Inthisthesis,theelectronicstructureofWO3nanowireswithdifferentsurfaces,directionsanddiametersareinvestigatedbyusingthefirstprinciplescalcula

7、tionbasedondensityfunctionaltheory(DFT).Theterminated-surfacestructureofWO3nanowirescanaffecttheelectronicbandstructure,bandgapanddensityofstatessignificantly.ThebandgapofWO3nanowireswithhydrogenatedoxygenmonolayeriswider0.257eVthanbulkWO3duetoquantumc

8、onfinementeffect;TheWO3nanowiresterminated-surfacewithbareoxygenhasalotofelectronsinthefermilevelforthestructureofO=O,WhileWO2-terminatedWO3nanowireshowmetallicproperty.Asthesizeofthenanowiredecreases,thecalculatedbandgapincreasesalongw