稀土元素(Y、Eu)掺杂ZnO磁光性能的第一性原理研究

摘要

ZnO作为一种半导体材料，在室温下，ZnO具有3.37eV的直接宽禁带，60meV的高激子束缚能。凭借着优良的物理性质以及化学性质，在太阳能电池、光催化以及稀磁半导体等技术领域具有潜在的应用价值，使其成为当前的研究热点之一。稀土元素凭借其丰富的电子结构，具有优异的光、电、磁和催化性能。目前，稀土元素掺杂ZnO在光催化、太阳能电池及稀磁半导体等领域获得了大量的理论及实验研究，研究表明，稀土元素掺杂可以有效改善 ZnO的光催化特性和铁磁性。然而，由于实验条件以及实验仪器的差异，造成了稀土元素(Y、Eu)掺杂ZnO的实验研究出现了相悖的实验结论，第一性原理的出现，可以从理论角度给出合理的解释。
　　基于以上理由，本文采用了Materials Studio软件中基于密度泛函理论的CASTEP模块对稀土金属(Y、Eu)掺杂ZnO体系的光学性质和磁学性质进行了计算，计算结果如下：
　　当Y掺杂摩尔数在0.0313—0.0625之内，Y掺杂量越增加，掺杂体系的晶格常数越增大，体积越增大，总能量越增大，掺杂体系越不稳定，形成能越增大，掺杂越难；掺杂体系中平行于和垂直于c轴的Y-O键布居值越减小，离子键越增强，共价键越减弱，键长越变长；掺杂体系的最小光学带隙越变宽，吸收光谱发生蓝移现象越明显。
　　Eu掺杂浓度越增加，Eu单掺ZnO体系的晶格常数越增大，Eu单掺ZnO体系的总能量和形成能越增大，Eu单掺ZnO体系掺杂越难，稳定性越下降。Eu单掺ZnO体系磁性主要来源于Eu-4f轨道和O-2p轨道杂化耦合作用，以及O-2p轨道、Zn-3p轨道和4s轨道杂化耦合作用。随着Eu掺杂浓度的增加，掺杂体系带隙变窄先增强后减弱，在可见光区红移现象先增强后减弱，吸收光谱的计算结果对设计和制备Eu掺杂ZnO光催化剂有一定的理论指导作用。对于沿x或者y轴成键的Eu双掺ZnO体系而言，表现为反铁磁性，沿z轴成键的Eu双掺ZnO体系表现为铁磁性，且随着Eu原子之间距离增大，铁磁性增强，具有长程有序的特征；反铁磁能量与铁磁性能量差值最大为105meV，具有较高的居里温度，可实现居里温度室温以上。

目录

声明

第一章 引言

1.1 研究背景

1.2 ZnO的晶体结构与应用简介

1.3 稀土元素的基本性质与应用

1.4 稀土元素（Y、Eu）掺杂ZnO的国内外研究进展

1.5 本论文主要研究内容

第二章 计算原理及方法

2.1 密度泛函理论

2.2 交换相关泛函

2.3 第一性原理

第三章 Y掺杂ZnO电子结构与吸收光谱的第一性原理研究

3.1 引言

3.2 理论模型

3.3 计算方法

3.4 计算结果与讨论

3.5 本章小结

第四章 Eu掺杂ZnO磁光性能的第一性原理研究

4.1 引言

4.2 理论模型与计算方法

4.3 计算结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文及取得的科研成果

个人简历