铋氮共掺SnO2半导体材料光电性能的研究

摘要

二氧化锡(SnO2)材料作为一种典型的的宽禁带半导体材料，是一种重要的无机功能材料，具有金红石结构。SnO2是一种新型透明导电氧化物，它具有宽带隙(3.6eV)和高激子束缚能(130meV)使得二氧化锡基半导体材料具有发展潜力。掺杂SnO2所形成的材料具有高导电性、高透光率、高红外反射率、高紫外吸收率等性能，从而使SnO2有更广泛的应用前景。本论文将以SnO2为基材料，采用基于密度泛函理论第一性原理的全电势线性缀加平面波法，在广义梯度近似(GGA)下应用WIEN2k软件进行计算。
　　首先，我们构建2×2×2的SnO2超晶胞结构，对其进行Bi掺杂和Bi、N共掺的研究。计算了掺杂Bi和Bi、N共掺之后的电子态密度、能带结构和光学性质，并与本征的SnO2相比较，研究发现Bi的引入使得费米能级附近出现了杂质能级，材料表现出金属性。而Bi、N共掺时，掺杂体系的SnO2仍然是半导体。无论哪种掺杂，费米能级附近都出现了杂质能级，说明掺杂以后的SnO2内部的电子跃迁更加活跃，导电性增强。单掺杂Bi和Bi、N共掺的SnO2的介电函数、吸收系数、折射率和反射率等光学性质相比本征态都有整体提升。
　　其次我们分别计算了共掺体系下一个非金属元素N原子与不同浓度的金属掺杂元素Bi原子掺杂和一个金属元素Bi原子与不同浓度的非金属掺杂元素N原子掺杂时，浓度的变化对其电子结构和光电性质的影响。结果表明，当N原子掺杂浓度变化时，随着N掺杂浓度的升高，在费米面附近的的杂化程度增强，费米面出现杂质能级表示着价带区域到导带区域的电子跃迁更加活跃。当Bi原子掺杂浓度变化时，与多N掺杂体系对比，掺杂多Bi的体系基本没有表现出磁性，说明引起磁性的元素主要是N元素，而Bi的掺杂则会引起价带到导带的电子跃迁，增强SnO2的金属性和导电性。在光学性质方面，掺杂多Bi体系的SnO2的光学性质整体都有所提高，无论是介电函数虚部、吸收系数、能量损耗还是折射率和反射率，在紫外区域的整体值都高于本征态。尤其是在可见光区域和红外光区域相对本征态的SnO2出现了特别明显的峰值。
　　最后我们计算了对二氧化锡掺杂体系来引进O缺陷和Sn缺陷对其电子结构和光学性质的影响。通过分析O空位和Sn空位SnO2的电子态密度，我们得到O空位的引入并没有影响其半导体的性质，而Sn空位引入之后体系变为半金属。能带结构的计算表明O空位SnO2仍为直接带隙，Sn空位的引入使得费米能级处出现杂志能级，促进了电子的跃迁。O空位和Sn空位均使得材料的光学吸收边发生红移，但Sn空位使得材料在可见光和红外光区域产生吸收，拓宽了材料的吸收波长范围。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 选题的背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究的内容与方法

第二章 程序及计算方法

2．1 Linux系统

2．2 WIEN2k软件

2．2．1 WIEN2k软件简介

2．2．2 WIEN2k的安装环境

2．2．3 WIEN2k的具体操作过程

2．3 Origin作图软件的简介

2．4 密度泛函理论

2．4．1 局域密度近似(Local Density Approximation，LDA)

2．4．2 广义梯度近似(Generalized Gradient Approximation，GGA)

2．4．3 赝势平面波法

第三章 Bi、N掺杂SnO2的电子结构和光学性质

3．1 建立理论模型

3．2 电子结构

3．2．1 电子态密度

3．2．2 能带结构分析

3．3 光学性质

3．3．1 介电函数

3．3．2 能量损失函数

3．3．3 光学吸收谱

3．3．4 反射率

3．3．5 折射率

3．4 本章小结

第四章 单个Bi、多个N掺杂SnO2的电子结构和光学性质

4．1 建立理论模型

4．2 电子结构

4．2．1 电子态密度

4．2．2 能带结构分析

4．3 光学性质

4．3．1 介电函数

4．3．2 光学吸收谱

4．3．3 能量损耗谱

4．3．4 反射率和折射率

4．4 本章小结

第五章 多个Bi、单个N掺杂SnO2的电子结构和光学性质

5．1 建立理论模型

5．2 电子结构

5．2．1 电子态密度

5．2．2 能带结构

5．3 光学性质

5．3．1 介电函数

5．3．2 光学吸收谱

5．3．3 能量损耗谱

5．3．4 反射率和折射率

5．4 本章小结

第六章 Sn、O空位Bi、N掺杂SnO2的电子结构和光学性质

6．1 计算方法

6．2 计算结果和讨论

6．2．1 几何结构和形成能

6．2．2 能带结构和态密度

6．2．3 光学性质

6．3 本章小结

结论及展望

参考文献

致谢

附录