N掺杂ZnO纳米线电子结构和稳定性的第一性原理计算

摘要

基于密度泛函理论第一性原理的方法计算了N掺杂ZnO纳米线的形成能、能带结构和态密度。研究了N掺杂浓度和N原子替换掺杂位置对ZnO纳米线结构的稳定性和能带结构的影响。计算结果表明,未掺杂的ZnO纳米线为直接带隙半导体,理论计算的带隙值为1.74 eV。当N掺杂的摩尔分数为2.08%(1个N原子掺杂)时,N替换ZnO纳米线第一层最外层位置处的O原子时,体系形成能最低,为4.398 eV,纳米线结构最为稳定;而当N掺杂的摩尔分数为4.16%(2个N原子掺杂)时,N替换ZnO纳米线第一层最外层和中心位置处的O原子时体系形成能最低,为8.508 eV,纳米线结构最为稳定。此外,两种N掺杂的ZnO纳米线分别在价带顶上方0.49 eV和0.63 eV处形成N杂质能级,1个N原子掺杂的纳米线结构比2个N原子掺杂的纳米线结构具有更浅的N杂质能级。因此,低N掺杂量更容易对ZnO纳米线结构进行p型掺杂,从而为实现p型N掺杂ZnO纳米线提供理论分析依据。