纤锌矿型Mg_xZn_(1-x)O的第一性原理研究

【摘要】氧化锌(ZnO)作为新兴一代的半导体材料,在制备紫外和深紫外器件上表现出的独特、优异的物理性能,受到了人们广泛关注与深入研究。目前在理论研究方面,主要是利用一些计算软件(如MaterialsStudio,WIEN2k,VASP,PWSCF等)对材料的性能进行研究与预测。本文中利用MaterialsStudio中的CASTEP模块计算分析了ZnO的电子结构,以及纤锌矿型MgxZn1-XO三元合金的电子结构。本论文分为三章,第一章主要介绍了ZnO晶体的基本结构、性质、应用及掺杂ZnO的研究现状；第二章简要介绍第一性原理的基础理论—密度泛函理论；第三章计算了纤锌矿ZnO结构优化后的晶格常数和带隙,能带结构及态密度,并与实验数据和其他理论计算值进行了对比。本文的核心内容是对纤锌矿型MgxZn1-xO的电子结构及其性质进行理论研究,以本征纤锌矿ZnO的电子结构为基础,计算分析了MgxZn1-xO合金的晶格常数、带隙随Mg组分的变化,以及不同Mg组分时的电子能带结构和态密度,并得出了合金带隙随Mg组分增加而增大的原因。所得主要结果如下：1.经过计算得到纤锌矿ZnO的晶格常数分别为a=3.280A,c=5.281A,带隙值Eg=0.750eV,这与实验和其他理论结果均相符。纤锌矿ZnO是直接带隙半导体材料,带隙值是由O-2p态电子和Zn-4s态电子共同决定,这与实验和其他理论所得出的结论是一致的。2.通过晶格结构优化,找到了MgxZn1-xO合金不同Mg组分时的稳定结构,随着Mg组分的增加,晶格常数a增大,晶格常数c减小。不同Mg组分的MgxZn1-xO合金均是直接带隙半导体材料。由于带隙的理论计算值比实验值偏小,因此对带隙值做了相应的修正,修正后的带隙值与实验值是吻合的。MgxZn1-xO合金的带隙宽度仍由O-2p、Zn-4s态电子决定,并且由于Mg原子的掺入导致O-2p、Zn-4s态的电子态密度曲线向高能方向移动,所以MgxZn1-xO合金的带隙随Mg组分的增加而增大。
【作者】高洁；
【导师】赵国军；
【作者基本信息】内蒙古大学，物理学，2014，硕士
【关键词】密度泛函理论；ZnO；掺杂；电子结构；

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