cr原子掺杂zno晶体的电子能带结构和光学性质的第一性原理计算 本科毕业论文

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1、7Cr原子掺杂ZnO晶体的电子能带结构和光学性质的第一性原理计算内容摘要:使用在广义梯度近似（GGA）下的密度泛函理论（DFT）研究Cr原子掺杂ZnO晶体的电子能带结构和光学性质，考虑Zn原子被一个Cr原子和不同位置的两个Cr原子取代的模型。对于纯ZnO晶体，费米能级在价带顶，但是当Cr原子掺杂到ZnO超晶胞后，费米能级移到导带并且显示出类似金属的性质。计算的光学性质曲线指出Cr原子掺杂后光学能隙增加了，更重要的是，由于Cr原子的3d带和导带的带间跃迁，导致了在可见光区域的强吸收。我们的计算表明，Cr原子

2、掺杂ZnO晶体除了能应用在短波的光电器件，而且由于其光催化活性的增加，还能在光电化学应用方面具有潜在价值。关键词:ZnO密度泛函理论Cr原子掺杂电子能带结构光学性质1.引言自从发现TiO2电极上水的光诱导分解效应，基于半导体的光催化反应吸引了广泛关注。光催化是一个复杂的过程，起源于由半导体的光激发引起的电子和空穴的生成。到目前为止，许多努力都集中在基于TiO2、ZnO、NaBiO3和ZnS的新材料的研究。其中，由于ZnO光催化剂良好的特性，引起广泛关注，比如化学稳定性高、无毒、原料丰富、3.37eV的宽带

3、隙、60meV的激发束缚能，使ZnO成为一种应用在短波光电器件、光催化剂等方面的吸引人的多功能材料。已经证实ZnO在制造过氧化氢优于其他半导体如TiO2，使ZnO光催化剂在有机酸的光降解和细菌与病毒的杀菌方面更有效。众所周知，紫外光占可见光的小部分，而可见光占一大部分。然而，作为一种将空气或水中各种环境污染物降解的潜在光催化剂，纯ZnO的宽带隙使其仅仅在紫外光区域表现出光催化活性。因此，为了完成ZnO作为光催化材料的应用，使其在可见光区域达到高的吸收系数从而有效利用太阳光，成为巨大挑战。近来，研究工作证实

4、，掺杂C、S、N、Mg可以改变ZnO的光学和电学性质，且杂质掺杂对可见光区域下的光催化活性的实现是一种好方法。例如，Chenetal.6发现高温煅烧N、S、C掺杂ZnO出现可见光的强吸收，且一定量的掺杂可以减少电子-空穴对的再结合和提高紫外光与可见光照射下的光催化活性。Lietal.7指出在可见光照射下枝状N掺杂ZnO粉末的光催化表现优于纯ZnO试样。Qiuetal.8的实验和计算结果也指出Mg掺杂ZnO显示出增强的光催化活性。然而，与已研究的TiO2系统相比，ZnO的光催化性质的报道很少。为了提高它们应

5、用中的研究，掺杂ZnO晶体的电子能带结构和光学性质的理论研究对更好的理解这些光催化剂的光催化原理是重要的。本文中，我们使用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理进行Cr原子掺杂ZnO晶体的理论研究，用一个Cr原子和两个Cr原子掺杂的不同模型来研究Cr原子掺杂ZnO晶体的性质，对应掺杂浓度分别为x=6.25%and12.5%，系统研究了Cr原子掺杂ZnO晶体的的电子能带结构、态密度和光学性质。2.计算模型和方法2.1计算模型以纤锌矿ZnO单胞为基础，选择包含32个原子的2×2×27超晶胞，如图1。基于这种晶

6、胞的三种不同模型用来研究不同掺杂浓度的影响，一个模型是用一个Cr原子取代一个Zn原子，对应掺杂浓度x=6.25%；另两个模型是两个Cr原子取代两个Zn原子，对应掺杂浓度x=12.5%，分别称为“近”结构和“远”结构，“近”结构中两个Cr原子被一个O原子隔开，取代位置在2位置和3位置，“远”结构中两个Cr原子被-O-Zn-O-连接，取代位置在1位置和3位置。2.2计算方法图1本文中所有的计算工作均由MS软件中的CASTEP模块完成。CASTEP模块是一个基于密度泛函方法的从头算量子力学程序：利用总能量平面波

7、膺势方法，将粒子势用膺势替代，电子波函数用平面波基组展开，电子-电子相互作用的交换和相关势由广义梯度近似（GGA）进行校正。计算中电子与电子间相互作用的交换相关效应通过GGA的PBE计算方案进行处理，电子波函数通过一平面波基矢组扩展，为尽量减少平面波基矢个数，本文采用了超软膺势（ultrasoftpseudopotential,USP）来描述离子实与价电子之间的相互作用势。所进行的计算均在相同的倒易k空间中，取平面波截断能为340eV，布里渊区k矢选取4×4×2，迭代过程中的收敛精度低于1.0×10-6e

8、V/atom，即作用在每个原子上的力不大于0.1eV·nm-1，内应力不大于0.1GPa。能量计算都在倒易空间中进行，为了得到稳定精确的计算结果，先优化晶胞的结构，在此基础上计算电子结构和光学性质。介电函数虚部为：（1）u为定义外加电场极化的矢量，k为波矢，上标c和v分别代表导带和价带，ω为外来光子频率，介电函数虚部能由色散关系从得到。吸收系数a(w)，发射率R(w)，折射率n(w)，能量损耗L(w)可由e1(w)和e2(w)