Y-Cu共掺杂ZnO电子结构与光学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波赝势法研究了本征Zn O、Y和Cu单掺杂Zn O、Y-Cu共掺杂Zn O的电子结构和光学性质.计算结果表明,在本文的掺杂浓度下,Y和Cu单掺杂可以提高Zn O的载流子浓度,从而改善Zn O的导电性,Y-Cu共掺时Zn O半导体进入简并状态,呈现金属性.Y掺杂Zn O可以提高体系在紫外区域的吸收,而Cu掺杂Zn O在可见光和近紫外区域发生吸收增强现象,其中由于Y离子和Cu离子之间的协同效应,Y-Cu共掺杂Zn O时体系对可见光和近紫外区域的光子能量吸收大幅增加,因此Y-Cu共掺杂Zn O可以用于制作光电感应器件.

Al-N共掺杂ZnO电子结构和光学性质

基于密度泛函理论的第一性原理,分析了Al-N共掺杂ZnO的电子结构和光学性质。计算了Al-N复合体共掺ZnO的结合能,发现Al-N复合体可以在ZnO中稳定存在,因此Al-N共掺可以提高N在ZnO的固溶度。研究表明：N掺杂ZnO体系,由于N-2p和Zn-3d态电子轨道杂化作用,在费米能级附近引入深受主能级,价带顶和导带底发生位移,导致禁带宽带变窄。而Al-N共掺杂体系,适当控制Al和N的比例,克服了N单掺杂时受主间的相互排斥,降低了受主能级,对改善ZnO的p型掺杂有重要意义。在Al-N共掺ZnO中,Al的引入,导致共掺体系的禁带宽度减小,吸收带边红移,实验现象证实了这一结果。

退火对N-In共掺杂p型ZnO薄膜结构和光电性质的影响

利用射频磁控溅射结合离子注入的方法在石英玻璃衬底上成功地实现了ZnO薄膜的N-In共掺杂,借助于XRD、霍耳测试、透射谱测试等手段分析了不同退火条件下对ZnO薄膜的结构及光电性质的影响。实验结果表明,在氮气环境下,退火温度介于550-600℃,退火时间控制在5-10 min内,可以获得较稳定的p型ZnO薄膜。其中,经过580℃退火20 min的ZnO薄膜具有最佳的电学特性,即空穴浓度达到1.22×10^18cm^-3,迁移率为2.19 cm2V-1s^-1,电阻率是2.33Ωcm。另外,制备的ZnO薄膜在可见光范围内都有很好的透射率,其常温下的禁带宽度为3.25 eV,相对块材本征ZnO的禁带宽度略有减小。

膜厚对Zr,Al共掺杂ZnO透明导电薄膜结构和光电性能的影响

采用直流磁控溅射法在玻璃衬底上制备出Zr,Al共掺杂ZnO(AZZO)透明导电薄膜。用XRD和SEM分析和观察了薄膜样品的组织结构和表面形貌。研究表明:制备的AZZO透明导电薄膜为六角纤锌矿结构的多晶薄膜,且具有c轴择优取向。另外还研究了薄膜的结构、光学和电学性质随薄膜厚度的变化关系。当薄膜厚度为843nm时,电阻率具有最小值1.18×10-3Ω.cm,在可见光区(500～800nm)平均透过率超过93%。

氮-铟共掺杂ZnO薄膜的制备及表征

以醋酸锌水溶液为前驱体,分别以醋酸铵和硝酸铟为氮(N)源和铟(In)源,采用超声喷雾热解法在石英玻璃衬底上沉积了氮铟(NIn)共掺杂ZnO薄膜。采用X射线衍射、场发射扫描电镜、霍尔效应、塞贝克效应、光致发光谱等分析方法,研究了NIn共掺杂对所得ZnO薄膜的晶体结构、电学和光学性能的影响规律。结果表明:通过氮铟共掺杂,ZnO薄膜的电学和光学性能发生明显改变。优化工艺条件下,所得ZnO基薄膜结构均匀致密,电阻率为6.75×103Ω·cm,并且在室温光致发光谱中检测到很强的近带边紫外发光峰,表明薄膜具有较理想的化学计量比和较高的光学质量。

Er^3＋／Yb^3＋共掺杂ZnO粉末的上转换发光特性

采用高温氧化法制备了Er3+/Yb3+共掺杂ZnO粉。通过X射线衍射和扫描电镜对其进行了成分和组织结构分析,发现样品主要由ZnO和YbF3组成。在ZnO中测量到少量Er3+和Yb3+,而YbF3中无Er3+,故发光主要是由ZnO产生的。在980nm半导体激光器的激发下,观察到由处于激发态能级4F9/2,4S3/2,2H11/2和2H9/2的Er3+离子向基态4I15/2跃迁时发出的波长依次为658,538,522和409nm的上转换发光。在488nmAr+激光器的激发下,观察到了较强的409nm的紫光,466和450nm的弱蓝光以及379nm的紫外光,分别对应于Er3+离子的2H9/2→4I15/2,2P3/2→4I11/2,4F3/2/4F5/2→4I15/2,4G11/2→4I15/2等跃迁。上转换发光强度随激发功率的变化关系表明,488nm激发下紫色上转换荧光为双光子过程,主要是通过Er3+/Yb3+离子间正向和反向的能量传递来实现的。

Fe-Ni共掺杂ZnO/凹凸棒光催化降解废水中抗生素性能研究

以水热法制备了Fe-Ni共掺杂的ZnO/凹凸棒(Fe-NiZnO/ATP)光催化剂,通过XRD和FT-IR对其结构进行了表征,考察了催化剂用量、溶液pH值、光照条件、抗生素种类等因素对催化剂降解抗生素性能的影响。结果表明,Fe-Ni-ZnO/ATP中,ZnO为六方纤锌矿结构,Fe主要以Fe2O3的形式存在,Ni2+取代了ZnO晶格中的部分Zn2+并造成晶格缺陷,部分Zn2+进入了ATP层间生成了Zn-OSi键,实现了与ATP的复合,并促使其层间距增大。Fe-Ni共掺杂拓宽了催化剂的光谱响应范围和提高了其催化活性,当催化剂投入量为2.5g/L、溶液pH值为6时,在可见光下反应90min后,该催化剂对30mg/L的诺氟沙星降解率可达90.63%,并且,在相同条件下,该催化剂对其他两种抗生素废水的降解率均在80%以上,表现出良好的普适性。此外,该催化剂还具有良好的再生性能。

Al-N共掺杂ZnO的第一性原理研究

为了研究p型ZnO的掺杂改性,本文运用第一性原理密度泛函理论研究了未掺杂,Al、N单掺杂和Al-N共掺杂ZnO晶体的几何结构、能带结构、电子态密度。计算结果表明:未掺杂,Al、N单掺杂和Al-N共掺杂ZnO的超晶胞体积分别为0.2043 nm3、0.2034 nm3、0.2027 nm3、0.1990 nm3,带隙分别为0.72 eV、0.71 eV、0.60 eV、0.55 eV;N是比较理想的p型掺杂受主,若在禁带中再引入激活施主Al后,可填充的电子数由原来的19个增加到24个,N原子接受从价带跃迁的电子使价带产生非局域化空穴载流子,从而提高了晶体的导电性。与未掺杂,Al、N单掺杂相比,Al-N共掺杂ZnO具有更稳定的结构,更窄的带隙,更好的导电性,更有利于实现p型化。

溅射功率对Zr,Al共掺杂ZnO薄膜结构和性能的影响

室温下,采用直流磁控溅射法,在载玻片衬底上制备出了Zr,Al共掺杂ZnO(AZZO)透明导电薄膜。研究了溅射功率对薄膜的组织结构、表面形貌和光电学性能的影响。结果表明,制备的AZZO透明导电薄膜为六角纤锌矿结构的多晶薄膜,且具有c轴择优取向。当溅射功率为150W时,薄膜电阻率达到最小值1.66×10–3Ω·cm,在可见光区平均透过率超过93%。

Al-H共掺杂ZnO薄膜的形貌及光致发光性能研究

在不同衬底温度条件下采用RF磁控溅射法在石英玻璃上沉积Al-H共掺杂ZnO薄膜。对所有样品进行晶体结构、表面形貌、电学、光学以及室温光致发光性能分析。结果表明:随着衬底温度的升高,ZnO薄膜的结晶度增加,晶粒增大,薄膜致密度增加;薄膜表面起伏变化减小;同时,电阻率最低达到7.58×10-4Ω·cm,透过率保持在75%左右。所有ZnO薄膜样品都以本征发光为主,Al-H共掺杂在一定程度降低ZnO薄膜缺陷发光的强度;随着衬底温度的升高,ZnO薄膜的本征发光强度明显增大;同时在能量为3.45 eV附近观察到了一个紫外发光峰。

ZnO掺杂纳米CeO_2的共沸蒸馏法合成

采用化学共沉淀法结合正丁醇共沸蒸馏处理前驱体合成了ZnO掺杂纳米CeO2颗粒,通过XRD,DSC/TG,IR, TEM,原子吸收光谱以及紫外透过率分析等方法对其结构和性能进行了表征:并根据XRD线宽法,由Scherrer公式计算其晶粒尺寸,研究了共沸蒸馏、ZnO掺杂、以及焙烧温度和时间对CeO2纳米晶粒尺寸的影响。结果表明:正丁醇共沸蒸馏法能有效脱除前驱体凝胶中的水分,防止干燥和焙烧过程中硬团聚的形成,从而得到粒径更小、分布更均匀、分散性更好的纳米CeO2颗粒:2 mol％～10 mol％掺杂ZnO能与纳米CeO2形成固溶体,且掺入量增加引起纳米CeO2晶粒有所增大;随焙烧温度提高,ZnO掺杂纳米CeO2晶粒显著长大,而高温下随焙烧时间延长,其晶格进一步趋于完整,晶粒尺寸增加;纳米CeO2具有良好的可见光透过和紫外光吸收能力,ZnO掺杂不会影响纳米CeO2的紫外遮蔽效果。

掺杂浓度对Al-F共掺杂ZnO透明导电薄膜性能的影响

通过溶胶-凝胶法制备了不同Al-F掺杂浓度的ZnO薄膜,研究了薄膜的晶体结构、表面形貌、电阻率和透光性随着掺杂浓度的变化情况。结果表明:制备的ZnO∶F∶Al薄膜具有高度的C轴择优取向性,薄膜表面平整、晶粒均匀致密。当Al3+和F-的掺杂浓度皆为0.75at%时,薄膜的平均晶粒尺寸最大为43.8nm;导电性能最好,电阻率可低至1.02×10-2Ω.cm;在可见光范围内薄膜的平均透过率超过90%,吸收边出现明显的蓝移现象。

溅射气压对Li-W共掺杂ZnO薄膜性能的影响

通过RF磁控溅射在不同溅射气压环境中,在石英衬底上制备得到Li-W共掺杂Zn O薄膜(LWZO)。对样品进行X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透过率以及电阻率的测试。结果表明:适当溅射气压环境下,有助于提高LWZO薄膜的结晶质量;SEM结果显示随着溅射气压增加LWZO薄膜表面晶粒粒径更小,表面更平整;薄膜的透光率保持在85%左右。光致发光光谱表明:LWZO的光致发光由本征发光及缺陷发光组成,结晶度高以及择优取向好,本征发光强度强。同时,薄膜的最低电阻率也达到了6.9×10-3Ωcm。

Na-Mg共掺杂ZnO薄膜的溶胶凝胶法制备及性能研究

在石英玻璃衬底上,利用溶胶-凝胶法制备了Na-Mg共掺的ZnO薄膜,研究改变Na掺杂量对ZnO薄膜的微观结构、表面形貌和光学性能的影响。样品采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外—可见光分光光度计UV-VIS进行了表征。结果表明:随着Na掺杂增加,ZnO薄膜的结晶度提高,有利于(002)晶面择优生长,其中Na-Mg掺杂比为1:1时效果最佳,表面更平整,颗粒生长更致密,薄膜的透过率达88%,带隙宽度3.31 eV。

Mg-Al共掺杂ZnO薄膜的制备及其光学特性

采用溶胶-凝胶(sol-gel)旋涂法在载玻片上制备了不同Al掺杂量的Mg-Al共掺杂ZnO薄膜.在室温下利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和光致发光(PL)谱仪等手段分析了Mg-Al共掺杂ZnO薄膜的微结构、形貌和发光特性.XRD结果表明Mg-Al共掺杂ZnO薄膜具有六角纤锌矿结构;随着Al掺杂量的增加,共掺杂薄膜呈c轴取向生长.由SEM照片可知薄膜表面形貌随Al掺杂量的增加由颗粒状结构向纳米棒状结构转变.透射光谱表明共掺杂薄膜在可见光区内的透射率大于50%,紫外吸收边发生蓝移.在室温下的PL谱表明Mg-Al共掺杂ZnO薄膜的紫外发射峰向短波长方向移动;Al掺杂摩尔分数为1%和3%的Mg-Al共掺杂ZnO薄膜的可见发射峰分别为596 nm的黄光和565 nm的绿光,黄光主要与氧间隙有关,而绿光主要与氧空位有关.

Al-Sn共掺杂ZnO薄膜的结构与光电性能研究

采用射频磁控共溅射法在玻璃衬底上制备出了Al与Sn共掺杂的ZnO(ATZO)薄膜。在固定ZnO∶Al(AZO)靶溅射功率不变的条件下,研究了Sn靶溅射功率对ATZO薄膜的结晶质量、表面形貌、电学和光学性能的影响。结果表明,制备的ATZO薄膜是六角纤锌矿结构的多晶薄膜,具有c轴择优取向,而且表面致密均匀。当Sn溅射功率为5W时,330 nm厚度的ATZO薄膜的电阻率最小为1.49×10-3Ω.cm,比AZO薄膜下降了22%。ATZO薄膜在400～900 nm波段的平均透过率为88.92%,禁带宽度约为3.62 eV。

Al-Y共掺杂ZnO透明导电薄膜制备及光电性能研究

采用溶胶-凝胶法,在玻璃衬底上制备出Al-Y共掺杂的ZnO透明导电薄膜。X射线衍射(XRD)表明,Al-Y共掺杂ZnO透明导电薄膜为六角纤锌矿结构的多晶薄膜,且具有C轴择优取向。制备的Al-Y共掺杂ZnO薄膜电阻率最小值为1.63×102Ω·cm,在可见光区(400-800 nm)平均透过率超过85%。

太阳电池用共掺杂ZnO透明导电薄膜的结构及性能

采用直流磁控溅射法在室温条件下制备出Al，压共掺杂ZnO透明导电薄膜。用XRD和SEM分析和观察了薄膜的组织结构和表面形貌，着重分析了靶基距对薄膜结构和光电性能的影响。研究结果表明，制备的灿，乙共掺杂ZnO透明导电薄膜为具有C轴择优取向、六角纤锌矿结构的多晶薄膜。靶基距对Al，Zr共掺杂ZnO透明导电薄膜的结构和电阻率影响显著。薄膜的厚度随靶基距的增加而变薄，在靶基距为60mm时，制备的薄膜厚度为790nm，电阻率具有最小值1．05×10^-3Ω·cm，在可见光区（500—800nm）平均透过率超过92％，在硅基薄膜太阳电池中具有良好的应用前景。

Al、N共掺杂实现ZnO的p型转变及其掺杂机理探讨

利用直流反应磁控溅射以Al、N共掺杂的方法生长p -ZnO薄膜。ZnO薄膜沉积于具有不同衬底温度的玻璃或Si衬底上 ,N来自NH3 与O2 的生长气氛 ,Al来源于AlxZn1-x(x =0 0 8% )靶材。利用XRD、XPS、Hall测试对其性能进行了分析。结果表明 ,用Al、N共掺杂的方法可以得到c轴择优取向的p型ZnO薄膜 ,载流子浓度为 (10 14 ～ 10 15)cm-3 ,电阻率为 (1 5 4～3 4 3)× 10 3 Ω·cm ,迁移率为 (1 16～ 4 6 1)cm2 /V·s。由Al、N共掺杂和仅掺N的两种情况下ZnO薄膜的N1s的XPS图谱可以推断出 ,N的掺入可能是以Al-N键的形式存在 ,而且Al的存在促进了N原子作为受主的掺入。

Cu-Co共掺杂ZnO稀磁半导体的水热法制备与性能

采用水热法了制备不同掺杂比例的Zn0.95Cu0.05-xCoxO(x=0,0.025,0.05)稀磁半导体材料。X射线衍射(XRD)表明所有样品具有结晶良好的纤锌矿结构,随着Co掺杂量的增加点阵常数有所增大。高分辨透射电子显微镜(HRTEM)发现所有样品形貌为纳米棒状结构,分散性良好。X射线能量色散分析仪(EDS)测试结果说明样品中Cu2+、Co2+是以替代的形式进入ZnO晶格中。光致发光光谱(PL)研究发现在所有样品中都存在较强的紫外发光峰、蓝光发光峰和绿光发光峰,而且峰位发生蓝移。振动样品磁强计(VSM)研究结果表明掺杂样品在室温条件下存在具有铁磁性。