Co-Bi共掺杂ZnO的第一性原理研究

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1、理学硕士学位论文Co-Bi共掺杂ZnO的第一性原理研究丛珊哈尔滨理工大学2017年12月国内图书分类号:O469理学硕士学位论文Co-Bi共掺杂ZnO的第一性原理研究硕士研究生：丛珊导师：陈春天教授申请学位级别：理学硕士学科、专业：物理学所在单位：理学院答辩日期：2018年3月授予学位单位：哈尔滨理工大学ClassifiedIndex:O469DissertationfortheMasterDegreeinScienceFirst-principlesStudyofZnObyCo-BiCodopingCandidate：CongShanS

2、upervisor：Prof.ChenChuntianAcademicDegreeAppliedfor：MasterofScienceSpecialty：PhysicsDateofOralExamination：March,2018HarbinUniversityofScienceandUniversity：Technology哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《Co-Bi共掺杂ZnO的第一性原理研究》，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论

3、文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：丛珊日期：2018年3月29日哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书《Co-Bi共掺杂ZnO的第一性原理研究》系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人

4、授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于保密□，在年解密后适用授权书。不保密。（请在以上相应方框内打√）作者签名：丛珊日期：2018年3月29日导师签名：陈春天日期：2018年3月29日Co-Bi共掺杂ZnO的第一性原理研究摘要本征ZnO是直接带隙半导体材料，具有较宽的禁带宽度、较高的自由激子束缚能、良好的透光性能以及较高的机电耦合系数和良好的导电性能等，在光学催化领域、透明导电薄膜、生物医学以及光电子学等领域表现出良好的应用前景。但是，本征ZnO对可见光的利用率很低，只能

5、利用到达地球表面的微量的紫外光，从而限制了它在光电子学领域的高效应用。近几十年来，科学家采用多种方法对杂质原子掺杂ZnO进行了大量的研究。研究发现，Co原子掺杂和Bi原子掺杂在一定程度上能够改善本征ZnO的电子结构、电磁性能和光学性能。但是，到目前为止，Co-Bi共掺杂对ZnO电子结构和光电性能影响规律的理论研究还罕有报道，对Co掺杂和Bi掺杂对ZnO电子结构和光电性能影响的作用机理的认识还存在很多不足。因此，本文以Co、Bi为掺杂原子，利用第一性原理的方法研究Co掺杂、Bi掺杂和Co-Bi共掺杂对ZnO电子结构和光电性能影响的作用机理。

6、首先，采用第一性原理超软赝势方法，利用MaterialsStudio8.0软件包中的CASTEP模块构建了本征ZnO的超晶胞结构，并进行了收敛性计算和结构优化。计算了研究了其电子结构和光学性能。研究发现，本征ZnO为直接带隙半导体，禁带宽度为0.743eV。吸收边为0.74eV，与禁带宽度相对应；在高能量区域有较强的吸收和反射性能，对可见光区的有效利用能力较弱。然后，分别用不同数量的Co和Bi原子原位替代Zn原子，计算和研究了掺杂ZnO体系的电子结构和光电磁性能。研究发现，Co掺杂ZnO后，导带和价带能级数量增多，且分布变得密集，态密度向

7、低能方向移动。在费米能级处，Co掺杂ZnO的上自旋态和下自旋态具有明显的非对称性，掺杂体系表现出明显的铁磁性。在高能量区域吸收性能和反射性能减弱，光透过性能增强，在低能量区域的吸收系数和反射系数随着Co原子掺杂量增多逐渐变强，光透过性能减弱。Bi掺杂ZnO的介电函数虚部峰值变大，并向低能量方向红移；高能量区域的吸收峰、反射峰和能量损耗峰随着掺杂原子的增多逐渐减小，透光性增强。最后，构建了Co-Bi共掺杂ZnO的超晶胞结构。研究发现，Co-Bi共掺杂-I-ZnO体系的能级变得更加弥散，定域性减弱，禁带宽度展宽，价带顶向低能量方向移动。CoB

8、i-ZnO具有铁磁性。CoBi-ZnO的介电峰值和吸收峰向低能方向发生红移现象，在低能量区域的吸收系数和反射系数减弱，光透过性增强，能量损耗峰的位置与本征ZnO基本保持一致，但峰值明显下降，增