硫族半导体材料电子结构计算及其量子点电致发光器件

摘要

硫族半导体材料作为一类重要的半导体材料，具有良好的光电特性，被广泛地应用于显示和照明等领域。本文主要研究了ZnS和PbS两种典型的硫族半导体材料。首先采用第一性原理模拟计算方法，对闪锌矿结构的ZnS、ZnS：Er以及面心结构的PbS进行了计算，分析了材料的电子结构、光学性质以及它们之间的联系，尤其是分析了掺杂前后ZnS电子结构和光学性质的变化，为实验数据的分析提供了理论依据。接着，将制备的ZnS：Er和PbS量子点用于发光层材料，将PVK和MEH-PPV有机物作为功能层制备了量子点电致发光器件，对器件的电致发光光谱进行了分析，探讨了有机功能层对量子点发光器件性能的改善。
　　1)采用第一性原理的超软赝势和广义梯度近似(GGA-PBE)，对2×2×1超晶胞结构的ZnS及其替代式掺杂Er3+离子后的超晶胞(Er3+离子浓度分别为6.25％和12.5%)进行了模拟计算，计算中Monkhorst-Pack网格点选为2×2×4，平面波截断能选为360 eV。计算结果表明，纯ZnS为直接带隙半导体，Er3+离子掺杂之后的体系能带变窄，导致吸收光谱红移。分析掺杂Er3+离子之后的电子结构，发现Er3+离子的4f态形成了一个新的独立能带，使得掺杂之后体系的吸收效率有所提高；
　　2)对面心结构的PbS先计算进行了不同截止能下体系总能量的收敛性测试，选取了450 eV作为最优截止能进行计算。计算得出导带的最低点与价带的最高点位于同一个对称点L处，带隙值约为0.54 eV，说明面心结构的PbS为直接带隙半导体材料。在在光学性质分析中，计算出体系的吸收谱，反射谱以及损耗函数谱。
　　3)制备了单层和双层ZnS：Er器件以及PVK/ZnS：Er复合薄膜发光器件。分析器件电致发光谱发现在电压较低时，电子先注入到能态较低的ZnS缺陷能级，而Er3+离子俘获电子的概率较低，因此只获得ZnS基质的光。随着电压值的升高，注入的电子逐渐向ZnS高能态的缺陷能级注入，使得发射出的光发生蓝移现象。当电压继续增加高于一定电压后，电子被Er3+离子俘获的几率增大，被俘获的电子由4F92跃迁到基态，发射出650nm的光。与ZnS：Er电致发光器件相比，PVK/ZnS：Er复合薄膜发光器件的光谱发生宽化，通过拟合光谱，初步认为是因为PVK、ZnS基质以及Er3+离子共同被激发发光的原因导致；
　　4)制备了单层MEH-PPV、单层PbS量子点以及MEH-PPV/PbS复合薄膜电致发光器件，对比三者的电致发光谱发现，在MEH-PPV/PbS复合薄膜器件中，加入的MEH-PPV薄膜降低了电流焦耳热对光谱红移造成的影响，同时MEH-PPV作为空穴传输材料，使得空穴与电子的复合区域移动到PbS量子点层，并提高了器件的发光效率。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 ZnS晶体基本结构与研究现状

1.1.1 ZnS晶体基本结构

1.1.2 ZnS纳米晶及其掺杂材料的实验研究

1.1.3 ZnS晶体及其掺杂材料的理论研究

1.2 PbS晶体基本结构与研究现状

1.2.1 PbS晶体基本结构

1.2.2 PbS纳米晶的实验研究

1.2.3 PbS晶体的理论研究

1.3 第一性原理计算基本理论和方法

1.3.1 理论基础

1.3.2 密度泛函理论

1.3.3 计算软件介绍

1.4 量子点复合薄膜发光器件

1.5 本文的主要研究内容

第二章 闪锌矿结构znS：Er和面心结构PbS半导体能带结构的第一性原理计算

2.1 ZnS：Er的第一性原理计算

2.1.1 引言

2.1.2 计算结果与参数设置

2.1.3 能带与电子结构

2.1.4 光学性质分析

2.1.5 小结

2.2 面心结构PbS的第一性原理计算

2.2.1 引言

2.2.2 计算结构与参数设置

2.2.3 能带与电子结构

2.2.4 光学性质分析

2.2.5 小结

第三章 ZnS：Er和PbS量子点复合薄膜发光器件的制备及分析

3.1 引言

3.2 器件的制备

3.3 掺杂三价Er离子硫化锌ZnS量子点器件光谱分析

3.4 硫化铅PbS量子点器件光谱分析

3.5 器件电流电压测试

3.5.1 电流电压测试虚拟仪器系统

3.5.2 器件电流电压测试

3.6 本章小结

第四章 总结与展望

4.1 全文总结

4.2 今后工作展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢