V掺杂ZnO性质的第一性原理研究.pdf

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1、第27卷第4期山东建筑大学学报Vo1．27No．42012正8月JOURNALOFSHANDONGJIANZHUUNIVERSnYAug．2012文章编号：1673—7644(2012)04—0386—04V掺杂ZnO性质的第一性原理研究王丽丽，季燕菊，付刚(山东建筑大学理学院，山东济南250101)摘要：采用第一性原理平面波超软赝势，计算了纤锌矿ZnO和不同浓度的V掺杂ZnO晶体的能带结构、态密度和分波态密度。计算表明，V的掺杂导致ZnO晶格发生了微小膨胀，禁带宽度变窄，体系引入的杂质能级靠近导带底，费米能级进入了导带并且穿插在杂质能级中，自

2、旋态密度分布具有不对称性，自旋向上的电子数比自旋向下的电子数多，对态密度进行积分后发现V掺杂ZnO体系表现出净磁矩，具有磁性。当V掺杂后，V-3d态电子与O-2p态电子的态密度分布大部分重合，形成了pd杂化。关键词：密度泛函理论；第一性原理；V掺杂ZnO中图分类号：O471．5文献标识码：AFirst-principlestudyonpropertiesofV-dopedwurtziteZnOWANGLi—li，jIYan-ju，FUGang(SchoolofScience，ShandongJianzhuUniversity，Jinan2501

3、01，China)Abstract：Thebandstructure，totaldensityofstatesandpartialdensityofstatesofpureandV—dopedwurtziteZnOhavebeeninvestigatedbyusingthefirst—principleuhrasoftpseudopotentialapproachoftheplanewave．ThecalculationindicatesthatthelatticeofZnOhasalittleinflation，andthatthebandg

4、apisreducedbyVdoping．Theimpurityenergylevelliesnearthebottomoftheconductionband，theFermienergylevelentersintotheconductionbandandtheimpurityenergyleve1．Thespindensityofstatesisasymmetric，thenumberofspin—upelectronsismorethanthenumberofspin—downelectrons．V—dopedwurtziteZnOsys

5、temshowsnetmagneticmomentandismagnetizedbyintegratingthedensityofstates．ThereisaclearoverlapbetweenV一3dandO-2pstatesdensitybyVdoping，forminghybridpdstates．Keywords：densityfunctionalitytheory；firstprinciple；V—dopedZnO温下的禁带宽度为3．2eV_1J，在透明导电薄膜、光电0引言器件等领域有广泛的应用J。在ZnO中掺杂不同的元素，能改变

6、ZnO的结构和带隙宽度，使掺杂近些年来，纤锌矿ZnO的Ⅱ一Ⅵ族直接带隙宽ZnO具有新的特性。理论计算表明，ZnO掺杂V、禁带氧化物半导体材料成为研究的热点。它具有大cr、co等元素能够产生自旋极化，形成高于室温的光电耦合系数、低介电常数、高化学稳定性、高的激稀磁性透明半导体]，是下一代微电子和光电子领子结合~,(60mev)及优良的光电、压电特性，它在室域自旋电子学器件有重要价值的材料之一。根据理收稿日期：2012—5—13基金项目：山东省优秀中青年科学家奖励基金(BS2011CL026)作者简介：王丽丽(1987一)，女，吉林长春人，在读硕士

7、，主要从事低维物理研究．E—mail：dabaoshali@sina．corn．4王丽丽等：V掺杂ZnO性质的第一性原理387论计算，V掺杂的ZnO膜具有最高的居里温度。化的主要原因我们认为是由于V离子半径与zn离Saeki等利用激光脉冲法制备出居里温度高于子半径不同，V离子对zn离子的代替引起晶格尺寸350K的钒掺杂铁磁性氧化锌膜。Vyatkin实验小失配，产生了应变，从而导致晶格略微变大，而在Sn组用钒离子注入法获得氧化锌磁性膜。目前借掺杂In：O，材料中这种现象也被发现过。助第一性原理研究V掺杂ZnO的电子结构及相关性质的报道较少，本文利

8、用第一性原理方法对VZnl-x0(X=0，0．042，0．083，0．125)的结构进行了研究，这种方法的可靠性已经得到大量实际计算的验证’。1模型构