单层ZnO的光学和吸附性能研究

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1、理学硕士学位论文单层ZnO的光学和吸附性能研究孙丹哈尔滨理工大学2018年3月国内图书分类号:O469理学硕士学位论文单层ZnO的光学和吸附性能研究硕士研究生：孙丹导师：谭昌龙教授申请学位级别：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:O469DissertationfortheMasterDegreeinScienceTheoreticalStudyonOpticalandAdsorptionpropertiesofZnOMonolayerCandidate：SunDanSupervis

2、or：Prof.TanChanglongAcademicDegreeAppliedfor：MasterofScienceSpeciality：PhysicsDateofOralExamination：March,2018University：HarbinUniversityofScienceandTechnology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《单层ZnO的光学和吸附性能研究》，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。

3、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：日期：年月日哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书《单层ZnO的光学和吸附性能研究》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2

4、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：日期：年月日导师签名：日期：年月日哈尔滨理工大学理学硕士学位论文单层ZnO的光学和吸附性能研究摘要自石墨烯被发现后，二维材料进入人们的视线。随着对二维材料的研究，相比于三维材料，二维材料的结构差异使其具有很多独特的优异性能，继而被广泛关注。目前，随着透明导电薄膜的发展，拥有高的可见光透射率和导电性是十分重要的。由于尺寸效应，新型的单层ZnO拥有更加独特的性能，包含透射率增加，光学带隙增大等。通过掺杂和吸附可以改变单层ZnO的结构和性能，调节材料的导电性，使得单层ZnO具有很大的前景被应用于透明电极材料和传感

5、器。本文采用密度泛函方法（DFT）对单层ZnO和掺杂金属元素（Al、Ga和In）的单层ZnO进行第一性原理研究。通过对掺杂后体系的结构，电学性能，光学性能和吸附性能进行优化计算，进一步探索金属元素掺杂后结构和性能的影响，并从电子层次上揭示掺杂作用的微观机理。掺杂Al的单层ZnO的带隙大于本征单层ZnO的带隙，光学透光率增大，导电性增强。同时，与掺杂Al的ZnO体结构进行对比后发现，Al掺杂单层ZnO材料的透光性增强，并具有很高的导电性。这些特征使得掺杂Al的ZnO单层材料可作为一种更具有前景的透明导电薄膜，应用于光电器件。在此基础上，对同一主族的金属元素（Al,Ga和In

6、）掺杂单层ZnO进行对比。通过分析后发现，当Al、Ga和In的掺杂浓度低于12.5at.%时，在可见光区域和紫外区域的平均透射率能达到99%。同时，掺杂后单层ZnO的导电性增强。特别地，在相同的条件下，低浓度的In掺杂单层ZnO具有更高导电性,在透明电极领域具有潜在应用。此外，对单层ZnO的吸附性能进行研究。二维材料由于具有特殊的结构特性，能够作为很好的气体传感器。研究表明CO分子能够吸附在Al、Ga和In掺杂的单层ZnO表面。Al、Ga和In掺杂的单层ZnO在CO吸附后，带隙变小，引入杂质能级，增强单层ZnO和吸附气体之间的相互作用，并在导带底附近产生浅施主态，载流子浓

7、度增加，光学性能发生改变。关键词：单层ZnO；光学性能；电学性能；第一性原理计算；密度泛函理论–I–哈尔滨理工大学理学硕士学位论文TheoreticalStudyonOpticalandAdsorptionPropertiesofZnOMonolayerAbstractThediscoveryoftwo-dimensinal(2D)graphenehasledtotheintenseinterestinotherpotential2Dmaterialswithnovelproperties.Withthedevelopment