钴掺杂氧化锌的第一性原理研究

摘要

ZnO是一种Ⅱ-Ⅵ族宽禁带直接带隙化合物半导体材料，室温下禁带宽度为3.37eV，激子束缚能为60meV。可以广泛应用于紫外、绿光、蓝光等多种发光器件以及光电显示、光电转化、光电探测、场效应管、压电器件等诸多领域。理论计算各种稀磁半导体材料居里温度，表明在宽禁带氧化物半导体ZnO中掺入过渡金属离子，可能制备出具有室温铁磁性的稀磁半导体材料。目前，对过度金属Fe、Co、Ni、Mn掺杂ZnO薄膜实验制备的成功案例已经数不胜数，然而对这种材料的磁性起源机理还存在着很大争议。
　　本文采用基于密度泛理论(DFT)的第一性原理方法，用体系总能量是否相等作为判据，研究不同Co掺杂ZnO模型的几何结构关系，尤其是Co原子对位置与总能量的关系，发现Co掺杂ZnO几何结构模型中Co原子对位置与总能量存在一定规律，可以简化仿真计算的模型数量，并设计仿真实验进行理论验证。对Co掺杂ZnO模型、包含氧空位缺陷的Co掺杂ZnO模型和Co与C共掺杂ZnO模型进行研究，对模型总能量、电子结构和磁学性质进行系统分析。从掺杂浓度角度研究了不同Co杂质浓度对ZnO电子结构和磁性能的影响。通过对比不含氧空位和包含氧空位缺陷的Co掺杂ZnO模型的电子结构讨论分析了Co掺杂ZnO的磁性起源机理。
　　通过本文的研究，首次对规则晶体的仿真建模给出了一个比较科学合理的建模方法。对比Co掺杂ZnO模型和包含氧空位缺陷的Co掺杂ZnO模型发现氧空位对Co掺杂ZnO材料的磁性能具有重要影响。理论分析预测Co与C共掺杂ZnO模型的材料具有超过室温的居里温度。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 研究方法及研究进展简介

1．2．1 第一性原理介绍

1．2．2 ZnO稀磁半导体研究进展介绍

1．3 课题研究的目的和意义

1．4 本论文的主要研究内容

第2章 Co掺杂ZnO第一性原理模拟的建模方法

2．1 引言

2．2 建模方法和依据

2．3 仿真实验

2．3．1 仿真实验方法

2．3．2 结果及分析

2．4 本章小结

第3章 Co掺杂ZnO晶体的第一性原理研究

3．1 Co掺杂完美ZnO模型的研究

3．1．1 模型与计算方法

3．1．2 计算结果与讨论

3．2 含氧空位的Co掺杂ZnO模型的研究

3．2．1 模型与计算方法

3．2．2 计算结果与讨论

3．2．3 含空位与不含空位氧化锌磁性比较

3．3 本章小结

第4章 Co、C共掺杂ZnO的第一性原理研究

4．1 引言

4．2 模型与计算方法

4．2．1 模型

4．2．2 计算方法

4．3 仿真结果与讨论

4．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢