晶格缺陷对闪锌矿电子结构影响的第一性原理研究

摘要

硫化矿物的浮选是一个半导体电化学过程。国内外的研究也充分表明同一种矿物的可浮性差异是由于其晶体物理化学性质的差异引起的，而导致同一种矿物晶体物理化学性质出现差异的原因是实际矿物中存在着晶体缺陷。晶体缺陷对矿物的半导体性质具有显著的影响。因此，研究晶格缺陷对闪锌矿电子结构的影响，对于进一步查清楚晶格缺陷对闪锌矿浮选行为影响的本质具有重要意义。本文使用基于密度泛函理论的CASTEP软件，采用广义梯度近似（GGA），平面波超软赝势方法，计算和研究分别含有空位（硫空位和锌空位）和杂质（锰、铁、钴、镍、铜、镓、锗、镉、汞、铟、银、锡、铅和锑）闪锌矿的电子结构，分别从能带结构、电子态密度、Mulliken布居和差分电荷密度等几个方面分析不同的晶格缺陷对闪锌矿电子结构产生的影响，结果表明：
　　 （1）硫空位使闪锌矿的禁带变窄，并且在价带顶产生一个能级，费米能级向高能方向偏移；而锌空位则使闪锌矿的禁带变宽，费米能级向低能方向偏移，并且在价带出现简并态。硫空位导致相邻的Zn-S键的共价性减弱，键长变长；而锌空位则导致相邻的Zn-S键共价性增强，键长变短。
　　 （2）第一过渡系元素杂质导致闪锌矿的禁带都变宽。锰和铁杂质使闪锌矿变成直接带隙n型半导体，而铜杂质使闪锌矿变成间接带隙p型半导体。这五种杂质的3d轨道都在禁带中形成杂质能级，并分裂成t2g和eg两个新的能级，另外，还导致费米能级向高能方向偏移。X-S键的电荷密度都比周围的Zn-S键的电荷密度大，具有较强的电荷密度重叠区，键的共价性增强，键长变短。
　　 （3）镉和汞杂质都导致闪锌矿的禁带宽度变窄。镉杂质在价带-7.5eV形成由镉的4d轨道贡献的杂质能级，而含汞杂质闪锌矿的能带结构没有明显的变化。镉和汞杂质表现出与锌相似的Mulliken布居特征。Cd-S键和Hg-S键的电荷密度低于Zn-S键的电荷密度，电荷密度重叠区减弱，布居数都变小，共价性减弱，键长变长。而与杂质相邻的Zn-S键的共价性增强。
　　 （4）镓和铟杂质使闪锌矿变成直接带隙n型半导体，且镓、锗和铟杂质使闪锌矿的禁带变宽，而银杂质则导致禁带变窄。镓和铟杂质都在导带底形成一个杂质能级，且都是由杂质原子的s轨道和硫的p轨道共同形成；锗杂质在禁带中形成一个由锗的4s轨道和硫的3p轨道共同贡献的杂质能级，而银杂质则在价带顶形成一个由银的4d轨道和硫的3p轨道共同作用的杂质能级。另外，镓、锗和铟杂质导致费米能级向高能方向偏移，而银杂质则使费米能级向低能方向偏移，并且在价带出现微弱的简并态。X-S键的电荷密度明显低于Zn-S键的电荷密度，布居数都急剧变小，共价性减弱，表现出具有离子性的共价键的性质，键长明显变长。另外，镓、锗和银杂质导致相邻的Zn-S键的共价性增强，而铟则使相邻的Zn-S键共价性减弱。
　　 （5）锡、铅和锑杂质都使闪锌矿的禁带变窄，且锡和锑杂质还使闪锌矿变成直接带隙n型半导体。这三种杂质都在禁带中形成杂质能级，并且杂质能级都主要是由杂质原子的s轨道和硫的p轨道共同形成。另外，三种杂质都导致费米能级向高能方向偏移，并且含锑闪锌矿的费米能级进入了导带，出现简并态，表现出金属性。X-S键的电荷密度明显低于Zn-S键的电荷密度，X-S键的布居数急剧变小，键的共价性减弱，更多地表现出键的离子性，键长急剧变长。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1晶格缺陷对矿物浮选行为的影响

1.1.1引言

1.1.2晶格缺陷

1.1.3晶格缺陷对浮选的影响

1.1.4国内外的研究现状

1.2闪锌矿(Sphalerite)的性质

1.2.1锌矿资源

1.2.2闪锌矿的基本性质

1.2.3闪锌矿的晶格缺陷

1.3密度泛函理论

1.3.1密度泛函理论基础

1.3.2交换-相关近似

1.3.3平面波赝势密度泛函理论

1.3.4 CASTEP简介

1.4课题研究意义及内容

第二章 理想闪锌矿的电子结构研究

2.1理论模型

2.2计算方法

2.3几何结构的分析

2.4能带结构和态密度分析

2.5 Mulliken布居分析

第三章 空位缺陷对闪锌矿电子结构的影响

3.1理论模型

3.2计算方法

3.3几何结构分析

3.4能带结构和态密度分析

3.5 Mulliken布居分析

3.6电荷密度和差分电荷密度分析

3.7小结

第四章 第一过渡系元素杂质对闪锌矿电子结构的影响

4.1理论模型

4.2计算方法

4.3几何结构分析

4.4能带结构和态密度分析

4.5 Mulliken布居分析

4.6电荷密度和差分电荷密度分析

4.7小结

第五章 同族元素杂质对闪锌矿电子结构的影响

5.1理论模型

5.2计算方法

5.3几何结构分析

5.4能带结构和态密度分析

5.5 Mulliken布居分析

5.6电荷密度和差分电荷密度分析

5.7小结

第六章 稀散元素及贵金属杂质对闪锌矿电子结构的影响

6.1理论模型

6.2计算方法

6.3几何结构分析

6.4能带结构和态密度分析

6.5 Mulliken布居分析

6.6电荷密度和差分电荷密度分析

6.7小结

第七章 其它元素杂质对闪锌矿电子结构的影响

7.1理论模型

7.2计算方法

7.3几何结构分析

7.4能带结构和态密度分析

7.5 Mulliken布居分析

7.6电荷密度和差分电荷密度分析

7.7小结

第八章 晶格缺陷对闪锌矿浮选的影响

8.1半导体类型的影响

8.2价键离子性的影响

8.3载流子浓度的影响

8.4缺陷对氧吸附的影响

第九章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间论文发表情况