Cu/Al共掺ZnO光学性质的第一性原理计算

利用Material Studio2017软件中基于密度泛函理论的CASTEP模块,仿真建立2×2×2的ZnO超晶胞,在相同情况下用不同比例的Cu/Al(Cu-Al、2Cu-Al和Cu-2Al)替换超晶胞中的Zn原子,得到Zn_(1-x-y)Cu_(x)Al_(y)O体系,对本征ZnO和各掺杂体系ZnO的电子结构和光学性质进行了第一性原理计算.结果表明:上述各掺杂体系在低能区的光吸收均发生红移,体系为简并半导体.可针对ZnO的不同用途,通过控制Cu/Al掺杂比来提高该体系在可见光范围内的光吸收或光透射.在可见光范围内,Zn_(0.8125)Cu_(0.125)Al_(0.0625)O体系的光吸收最强,可用于制作太阳能电池板的光电极材料等;Zn_(0.8125)Cu_(0.0625)Al_(0.125)O体系的透光率高,可用于制作高透光ZnO半导体薄膜.

Cu-Al共掺磁控溅射ZnO薄膜的结构和性能研究

利用FJL560CI2型磁控溅射仪,通过改变掺杂所用的铜丝长度而保持铝丝长度不变,制备了掺杂浓度和掺杂比例不同的Cu-Al共掺ZnO薄膜。通过X射线衍射图谱来分析薄膜样品的微观结构特征,采用扫描电子显微镜观察了样品的表面形貌,样品的电学性能和光学性能分别利用HMS-2000霍尔效应测试仪和UV-3600分光光度计来测试。结果表明,向ZnO薄膜中掺杂铜铝能够将ZnO薄膜的电阻率从108数量级降到10-2数量级,而对其在可见光范围内的优良透过率几乎没有影响,Cu-Al共掺是获得透明导电ZnO薄膜的一种有效方式。

Cu/Ag单掺及Cu-Ag共掺对ZnO光催化性能影响的第一性原理研究

运用第一性原理方法研究了Cu/Ag单掺及Cu-Ag共掺对ZnO稳定性、电子结构和光学性质的影响。CuZn2和CuZn1-CuZn3的形成能接近0.0 eV,CuZn1-CuZn2的形成能为负值,表明Cu较易掺杂且掺杂时有聚集的趋势。AgZn2的形成能为2.5 eV,AgZn1-AgZn2和AgZn1-AgZn3的形成能高于4.5 eV,说明高浓度的Ag掺杂在实际合成中不易出现。CuZn1-AgZn2和CuZn1-AgZn3的形成能与AgZn2的相近。CuZn2、CuZn1-CuZn2和CuZn1-CuZn3模型的Cu3d与O2p轨道有较大程度的杂化,价带顶端主要由Cu3d轨道占据。AgZn2、AgZn1-AgZn2和AgZn1-AgZn3模型的Ag4d与O2p轨道杂化较弱,价带顶端主要由O2p轨道占据。CuZn1-AgZn2和CuZn1-AgZn3模型的Cu3d与O2p轨道虽有杂化,但价带顶端主要由O2p轨道占据。Cu或Ag原子掺杂使Zn4s轨道在导带区显著向下移动,降低了模型的带隙宽度,它们对ZnO电子结构的影响主要集中在带隙附近。Cu-Ag共掺修饰ZnO电子结构的能力介于Cu和Ag单掺之间。上述掺杂模型吸收边都发生了红移,实现了ZnO对可见光的吸收,同时对3.10~3.90 eV范围内紫外光的吸收均高于纯ZnO,有效提高了ZnO的光催化效率。结合形成能分析可知,在不同类型掺杂下最有利的光催化模型分别为CuZn1-CuZn2、AgZn2和CuZn1-AgZn2。

Li-Cu共掺杂ZnO纳米薄膜的溶胶凝胶法制备

采用溶胶-凝胶法,通过调整氯化锂和氯化铜的摩尔比在不同基片上制备了不同Li-Cu共掺杂浓度的ZnO薄膜。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、紫外可见光分光光度计和伏安特性测试等表征了薄膜的结晶状况、表面形貌及光电特性。结果表明:所得Li-Cu共掺杂ZnO薄膜为六角纤锌矿多晶结构,有CuO杂质相生成。随Li和Cu摩尔比增加,共掺杂ZnO薄膜结晶度增强,晶粒长大,样品表面不平整度增加。CuO颗粒的出现,使得共掺杂ZnO薄膜透射率降低,透光性较差。Li与Cu摩尔比为1:1时,共掺杂ZnO薄膜的综合导电性最好。

K掺杂量对K-N共掺ZnO薄膜光学性能的影响

利用超声喷雾热解法在石英玻璃衬底上制备不同K掺杂量的K-N共掺ZnO薄膜.通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、光致发光谱(PL谱)和紫外-可见分光光度计对K-N共掺ZnO薄膜的晶体结构、表面形貌及光学性能进行表征.结果表明:K-N共掺ZnO薄膜为六方纤锌矿结构并沿(002)方向择优生长;随着K掺杂量的增加,薄膜紫外发射峰的强度先升高后降低,并且吸收边出现轻微蓝移,禁带宽度增大;K-N共掺ZnO薄膜的透过率随K的掺杂量的增加先升高后降低,在65%～70%之间浮动.当K掺杂原子比为0.025时,所制备的薄膜具有高度的c轴择优取向,其薄膜表面均匀、光滑平整,具有较好的结晶度和光学性能.

N-Al共掺ZnO薄膜的p型传导特性

利用直流反应磁控溅射技术制得N Al共掺的p型ZnO薄膜,N2O为生长气氛.利用X射线衍射(XRD),Hall实验,X射线光电子能谱(XPS)和光学透射谱对共掺ZnO薄膜的性能进行研究.结果表明,薄膜中Al的存在显著提高了N的掺杂量,N以N Al键的形式存在.N Al共掺ZnO薄膜具有优良的p型传导特性.当Al含量为0.15wt%时,共掺ZnO薄膜的电学性能取得最优值,载流子浓度为2.52×1017cm-3,电阻率为57.3Ω·cm,Hall迁移率为0.43cm2/(V·s).N Al共掺p型ZnO薄膜具有高度c轴取向,在可见光区域透射率高达90%.

Li-N共掺ZnO纳米管的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的计算方法,系列的研究了锯齿型(9,0)ZnO单壁纳米管、Li,N分别掺杂以及Li-2N共掺杂的ZnO纳米管的能带结构、总体态密度、分波态密度。分析发现虽然Li原子单独掺杂不会对纳米管能带结构产生明显影响,但是Li-2N共掺杂比N单独掺杂ZnO纳米管的结构更加稳定,而且Li-2N共掺杂ZnO纳米管是p型简并半导体。

厚度对Mg-Sn共掺ZnO薄膜结构和光电性能的影响

采用溶胶凝胶(Sol-Gel)旋涂法在抛光石英衬底上制备不同厚度Mg-Sn共掺的ZnO薄膜。用XRD、SEM、UVVis、PL、FT-IR光谱仪和四探针等对薄膜的微观结构、表面形貌、室温光致发光及光电特性进行表征。薄膜结构分析显示样品均沿c轴高度择优取向,呈六角纤锌矿晶体结构,随着膜厚的增加,薄膜结晶度明显提高,薄膜晶粒尺寸逐渐增大。由SEM照片观察到,厚度的增加明显促进了薄膜表面颗粒生长的均匀性与致密性。由光致发光谱表明:厚度增加,薄膜的本征发光峰增强且均出现较强的紫外发光峰和蓝光发光峰。FT-IR结果显示780 nm厚的薄膜在高波数区域红外吸收明显比320 nm和560 nm弱。薄膜电阻率随厚度增加由1.4×10-2Ω·cm减小至2.6×10-3Ω·cm,且薄膜透过率均保持在90%左右。

溶胶-凝胶法制备Na/Mg共掺ZnO薄膜的特性研究

利用溶胶-凝胶旋涂法制备了Na/Mg共掺ZnO薄膜。通过与未掺杂及只掺Mg的ZnO薄膜的对比分析,重点研究了Na/Mg共掺ZnO薄膜的结构、光学及电学特性。扫描电子显微镜(SEM)图像、X射线衍射(XRD)图谱、透射光谱及PL谱的分析结果表明,Na/Mg共掺有利于提高ZnO薄膜的结晶特性及c轴择优取向性。Na/Mg共掺会使得ZnO薄膜的禁带宽度增加,但增加的幅度小于单独掺Mg引起的禁带宽度增加。消除氧空位缺陷后,Na/Mg共掺ZnO薄膜将是一种很好的紫外发光材料。霍尔效应分析结果表明,Na/Mg共掺杂可将ZnO薄膜导电性从N型转变为P型,且使电阻率有很大幅度的增加。

N-X共掺p型ZnO薄膜的研究进展

获得高质量稳定的p型ZnO薄膜是实现ZnO基光电器件化的关键。目前,国际上公认Ⅴ族元素中的N替代O位(NO)是实现p型ZnO较理想的掺杂途径。但p-ZnO∶N薄膜的导电性能会随着时间、光照、温度条件发生变化,稳定性不足。大量的理论和实验研究表明N基二元共掺(N-X)可以提高N在ZnO薄膜中的固溶度,浅化N的受主能级,且在很大程度上能够改善p型ZnO的导电性能,有利于获得稳定的p型ZnO薄膜。为此,从N基施主受主共掺、双受主共掺以及其它共掺方面综述了N-X共掺p型ZnO薄膜的研究现状。

Mn与N共掺ZnO铁磁稳定性及其电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理方法,结合广义梯度近似研究了过渡金属Mn掺杂ZnO与(Mn,N)共掺ZnO的电子结构和磁性。对Mn掺杂ZnO不同构型的相对能量进行计算,结果表明Mn掺杂ZnO的最稳定构型具有反铁磁相互作用。另外,对(Mn,N)共掺ZnO不同构型的相对能量进行计算,结果表明引入N后,Mn与N铁磁性相互作用时,(Mn,N)共掺ZnO体系处于最低能量状态。这主要是由于Mn 3d电子与N 2p局域束缚的电子形成的磁性束缚激子诱导了Mn、N共掺ZnO薄膜室温铁磁信号的产生,并且最稳定的铁磁构型为-Mn-N-Mn-复合体,具有明确的团簇趋势。

Na/Mg共掺ZnO薄膜的溶胶-凝胶法制备及特性研究

利用溶胶-凝胶旋转涂膜法在耐热玻璃衬底上制备了不同膜厚的Na/Mg共掺ZnO薄膜。重点研究了膜厚对Na/Mg共掺ZnO薄膜结构和光学特性的影响。扫描电子显微镜（SEM）图像和X射线衍射（XRD）图谱分析结果表明,膜厚为200~500 nm时,随着膜厚的增加,薄膜的结晶性、致密性及c轴择优取向生长特性都呈现出先增强后降低的趋势。透射光谱分析结果表明,薄膜在可见光范围内的平均透光率随着膜厚的增加而显著下降。实验条件下,膜厚约为300 nm的Na/Mg共掺ZnO薄膜具有优良的结构特性和透光特性。荧光光致发光（PL）谱表明该薄膜中缺陷很少,是优良的紫外发光材料。

晶体结构对Er/Yb共掺ZnO薄膜光致荧光特性的影响

采用脉冲磁控溅射技术制备了Er/Yb共掺ZnO薄膜,对不同退火温度下薄膜晶体结构和光致荧光(PL)光谱进行了系统分析,探讨了退火处理所导致的晶体结构变化以及反应新相的生成对Er3+离子激活、薄膜PL光谱的影响.研究结果表明,退火处理所导致的Er3+离子PL光谱的变化与薄膜的微观状态之间有着密切的联系.在室温到1050℃退火温度范围内,Er/Yb共掺ZnO薄膜为多晶结构,薄膜荧光强度的增加主要是薄膜内氧含量增加、缺陷减少使Er3+离子荧光寿命增加以及Er3+离子激活比例增加所致.当退火温度超过1050℃,荧光强度的明显降低是由新相生成造成缺陷增加以及薄膜内氧含量降低引起.在整个退火温度范围内,薄膜的PL光谱都表现为同一种光谱特性,即明锐的多峰结构,这说明Er3+在ZnO和Zn2SiO4中的周围环境非常相似.

Mg-Al共掺ZnO薄膜的制备与性能改善研究

通过溶胶-凝胶旋涂法在石英衬底上制备不同Mg-Al共掺ZnO薄膜,并运用XRD、SEM、UV-VIS和四探针对薄膜性能进行表征。结果表明:掺Mg-Al之后薄膜均具有C轴择优生长,且一定量的Mg-Al掺杂可改善薄膜的结晶性和致密度,当Mg-Al掺杂量比(at%)为2∶1时,薄膜结晶性和致密度达到最佳。UV-VIS结果表明,Mg-Al掺杂后,ZnO薄膜光学透过率均有所提高,当掺杂量比(at%)为2∶1.5时,高达94.44%。Mg-Al掺杂后,薄膜禁带宽度有着明显的增大,在3.276~3.335 eV范围内可实现调控。掺Mg-Al后薄膜的电阻率变小,从5.74×10-2Ω·cm下降到1.88×10-2Ω·cm。

Mg,Sn共掺对ZnO薄膜光电性能的影响

采用溶胶-凝胶旋涂法在石英衬底上制备了不同Mg,Sn掺杂比例的ZnO薄膜,研究了不同Mg,Sn比例对ZnO薄膜微观结构、表面形貌和光电性能的影响及其内在机制。结果表明:Mg,Sn掺杂后薄膜仍保持六方纤锌矿结构并沿(002)方向择优生长,掺入2%的Mg后,晶粒有所长大,保持2%Mg不变,随着Sn的掺入,薄膜晶粒减小,但薄膜的致密度、表面平整度以及薄膜晶粒均匀性却有明显的改善;适量Mg,Sn掺杂,一方面,因Mg,Zn离子的金属性差异和Sn4+替位Zn2+晶格位置提供两个自由电子使薄膜载流子浓度增加产生Burstein-Moss效应,另一方面,因晶粒尺寸变小产生量子限域效应,薄膜禁带宽度增大,同时可见光透过率也有着明显提高;Mg,Sn共掺杂使薄膜结晶变好,载流子迁移率增大,同时载流子浓度上升,ZnO薄膜电阻率呈现较大幅度的下降。

Sn掺杂量对Sn-Mg共掺杂ZnO薄膜光电性能的影响

采用超声喷雾热解法在石英衬底上制备了Sn-Mg共掺的ZnO纳米薄膜.借助X射线衍射仪(XRD),扫描电子显微镜(SEM),光致发光谱(PL谱),紫外-可见分光光度计(UV-Vis)和伏安特性曲线(I-V)等测试手段研究了Sn掺杂量的改变对薄膜的结构、形貌和光电性能的影响.结果表明,适量的Sn掺杂可以提高薄膜的表面形貌和光电性能.随着Sn掺杂量的增加,薄膜的(101)衍射峰强度、紫外发光峰、透过率和导电率都是先增加后减小,带隙能量值从3.350eV增加到3.651eV,并且平均透过率均在80%~87%之间.当Sn掺杂量为0.004时,薄膜结晶质量最好,表面最致密,晶粒大小最均匀,紫外发光峰强度最大,导电率最高.

Sol-Gel法制备B-N共掺ZnO薄膜及光学性能研究

实验将B和不同含量的N元素掺入ZnO薄膜中,利用溶胶-凝胶(Sol-Gel)旋涂工艺分别在玻璃和硅衬底上制备B-N共掺ZnO薄膜.用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见分光光度计(UV-Vis)和光致发光谱(PL)对B-N掺杂样品薄膜的晶体结构、表面形貌及光学性能进行表征.结果表明,B-N共掺后的薄膜样品,与未掺杂样品和B单掺样品薄膜相比,薄膜结构仍为六方纤锌矿相,且沿ZnO(002)衍射峰择优生长.随着N掺杂量的增加,样品的(002)衍射峰的强度先增强再减弱,当N掺杂量为3.0 at%时,衍射峰强度最强,更适合薄膜生长.此时c轴取向相对较好,结晶度高,薄膜表面性能最佳,透过率在90%左右,禁带宽度达到3.51 eV,紫外发光峰受到抑制.

Sn掺杂浓度对Sn-Al共掺ZnO纳米棒光学性能的影响

采用磁控溅射法和水热法在玻璃片上制备了具有较好光致发光性能的Sn-Al共掺杂ZnO纳米棒。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和光致发光(PL)光谱表征了样品的表面形态、晶体结构和光致发光特性。结果表明Sn掺杂促进了ZnO纳米棒的横向生长,ZnO纳米棒的直径随着Sn掺杂量的增加而增加且长度变短,结晶质量也随之下降。Sn掺杂ZnO纳米棒对紫外光区峰值强度没有明显的影响,但Sn的掺杂浓度低时会导致发光峰发生蓝移,随着Sn的掺杂浓度达到一定水平时,则观察到发光峰开始红移。在可见光区峰值强度随着Sn掺杂浓度的增加而增加。

N-S共掺ZnO的电子结构和光学性质的第一性原理研究

为了分析纯净ZnO和N元素的掺入对S掺杂ZnO的电子结构和光学性质的影响,基于密度泛函理论采用第一性原理计算方法,我们研究了各种复合体的缺陷形成能、离化能、态密度、导电率、介电函数和吸收系数。结果发现:3N-S共掺ZnO不仅能提高N受主溶解度,而且可以引起浅受主能级。这表明3N-S共掺能够得到高质量稳定p型ZnO。同时,随着N原子的增加,体系的离化能迅速降低,而体系的导电率增强。另外,通过对介电函数和吸收系数的计算,结果表明3N-S共掺ZnO在低能区有非常奇特的特性。希望不久我们的理论结果能够为实验提供理论依据。

掺杂工艺对Al-F共掺ZnO薄膜性能的影响

采用溶胶-凝胶旋涂工艺在普通玻璃基片上制备出Al-F共掺杂ZnO薄膜,共掺杂离子浓度从0.25%增加到1.25%,退火气氛分别为空气、氢气和氩气,退火温度均为450℃。利用XRD和SEM测试方法研究了共掺杂离子浓度和退火气氛对薄膜的结晶状态与表面形貌的影响;此外,用紫外-可见分光光度计及四探针法等仪器对其透光性以及电阻率进行了测试,进一步研究了退火气氛对薄膜光电性能的影响。结果表明:制备的Al-F共掺杂ZnO薄膜多数表面平整,晶粒致密均匀,随着掺加浓度的增加,晶粒呈现出沿(002)晶面择优生长并且晶粒尺寸逐渐变大(由17.3nm增加到51.4 nm)。各种气氛下制备的薄膜在可见光大部分范围内透过率均超过80%;通过比较不同气氛下各种薄膜的电阻率,可以看到在H2气氛中退火处理后其电阻率最低为9.36×10-2Ω.cm;此外,与单一掺杂Al离子或F离子的薄膜相比较,Al-F共掺ZnO薄膜电阻率最低。