延安大学物理与电子信息学院, 陕西 延安 716000
采用密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法，利用广义梯度近似和Perdew-Burke-Ernzerdorf泛函，计算了不同Sn掺杂浓度下SZO(Sn∶ZnO)体系的电子结构与光学性质。研究了Sn掺杂浓度对SZO(Sn∶ZnO)的晶体结构、能带结构、电子态密度及光学性质的影响，并结合计算的能带结构和差分电荷密度对比分析了掺杂位置对计算结果的影响。研究结果表明，随着Sn掺杂浓度的增加，晶格常数c与a的比值变化很小，掺杂后晶胞没有发生畸变。掺杂体系的能量逐渐增大，稳定性减弱，且随着掺杂浓度的增加，带隙呈现先减小后增大的变化规律。掺杂后的SZO(Sn∶ZnO)成为间接带隙半导体，在导带底部附近出现了大量Sn原子贡献的导电载流子，明显提高了掺杂体系的电导率，并在费米能级附近与价带顶部之间出现一条由Sn原子贡献的杂质能级，能带结构呈现半填满状态，价带部分的电子态密度峰值向低能方向移动约1.5 eV。同层掺杂的电子得失程度较大，带隙比相邻层掺杂和隔层掺杂时小。掺杂后吸收带边发生红移，材料对紫外光的吸收能力明显增强，介电常数虚部增大，主要跃迁峰向高能方向移动。计算结果表明SZO(Sn∶ZnO)是一种优良的透明导电薄膜材料。
透明导电氧化物薄膜 第一性原理 Sn掺杂ZnO 电子结构 光学性质
1 延安大学 物理与电子信息学院, 陕西 延安716000
2 西北大学 信息科学与技术学院, 陕西 西安710127
在纳米金刚石场发射的基础上, 研究了纳米金刚石掺混纳米碳管的场发射特性。采用电泳沉积法形成了纳米金刚石与纳米碳管的复合涂层, 经热处理后制备出阴极样品, 然后进行微观表征, 再进行场发射特性测试与发光测试。结果表明, 与未掺混的纳米金刚石阴极样品相比, 复合涂层阴极样品的场发射开启电场明显减小, 场发射电流提高, 在较低的电场下阳极表面荧光粉就可以发光, 但发光不均匀, 出现了“边沿发光”的现象。分析了纳米金刚石掺混纳米碳管场发射性能提高的机理, 是由于纳米碳管掺入之后, 涂层的电子输运能力得到增强, 涂层中有效发射体的数目增加。最后, 解释了“边沿发光”现象的成因。
纳米金刚石 纳米碳管 场发射 电泳沉积 nano-diamond CNTs field emission electrophoresis deposition
延安大学物理与电子信息学院, 陕西 延安 716000
基于平面波赝势密度泛函理论,研究了La,Ce,Nd 掺杂SnO2的电子结构和光学性质.计算结果表明,La 附近的键长变化最大,而Nd 附近的键长变化最小,这表明稀土掺杂SnO2 引起的晶格畸变与掺杂原子的共价半径大小有关.能带结构表明,稀土掺杂可使SnO2的带隙变窄.La 掺杂相比较本征SnO2,带隙减小了0.892 eV,Nd 掺杂在SnO2的禁带中引入了3 个能级.差分电荷密度分析表明,稀土掺杂使SnO2的电子重新分配且由于f 电子的存在使其离子性增强.La 原子失电子最多,Nd 原子失电子最少,这和计算的能带结果是一致的.光学性质表明,介电函数的虚部和吸收函数因稀土掺杂出现了不同程度的红移,这和计算的能带结果非常吻合.
材料 稀土掺杂 密度泛函理论 电学和光学性质 激光与光电子学进展
2015, 52(9): 091602
延安大学物理与电子信息学院, 陕西 延安 716000
基于平面波赝势密度泛函理论，采用局域密度近似(LDA)方法研究了Sb 掺杂SnO2 的电子结构和光学性质。计算结果表明，与本征SnO2 比较，Sb 掺杂SnO2 的性质，包括能带结构、态密度、电荷密度及光学性质等均随Sb 的掺杂浓度变化。Sb 掺杂相比本征SnO2的带隙要窄，带隙随Sb 掺杂浓度的增加逐渐变窄，并且浅施主杂质能级逐渐远离导带底。Sb 掺杂改变了SnO2可成键性质，随着掺杂浓度的增加，共价性减弱，金属性增强。光学性质计算结果显示随着掺杂浓度的增加，态密度和介电函数虚部向低能方向移动，发生了明显的红移现象，这从理论上揭示了电子结构和光学性质之间的内在关系。
材料 Sb 掺杂 密度泛函理论 电学性质 光学性质 激光与光电子学进展
2015, 52(8): 081601
延安大学 物理与电子信息学院, 陕西 延安 716000
采用自旋极化密度泛函理论方法对Co掺杂闪锌矿ZnO的能带结构、态密度、磁学和光学属性进行了研究。计算结果显示: Co掺杂闪锌矿ZnO的基态是反铁磁态, 具有金属性特征; 而铁磁态具有半金属性特征。铁磁耦合在费米能级附近出现了明显的自旋劈裂现象, 表现出明显的不对称性和强烈的Co 3d和O 2p 杂化效应。磁矩主要来源于Co 3d轨道电子以及部分近邻耦合的O 2p轨道电子, 大小与Co原子的掺杂位置有关。光学性质计算结果显示, Co掺杂闪锌矿ZnO在可见光范围内都有较强的光吸收能力, 吸收峰在高能区发生了红移现象。理论计算结果表明, Co掺杂闪锌矿ZnO或许是一种优异的磁光材料。
Co掺杂 闪锌矿ZnO 第一性原理 铁磁和反铁磁 光学性质 Co-doped zinc blende ZnO first-principles ferromagnetic and anti-ferromagnetic optical properties
1 延安大学 物理与电子信息学院, 延安 716000
2 西北大学 信息科学与技术学院, 西安 710127
利用水热法制备了菊花状的氧化锌纳米棒, 并进行表征, 将纳米氧化锌掺入纳米金刚石中配制成电泳液, 超声分散后电泳沉积到钛衬底上, 再经热处理后进行场发射特性的测试.结果表明：未掺混的金刚石阴极样品的开启电场为7.3 V/μm, 在20 V/μm的电场下, 场发射电流密度为81 μA/cm2;掺混后阴极样品的场发射开启电场降低到4.7~6.0 V/μm, 在20 V/μm电场下, 场发射电流密度提高到140~158 μA/cm2.原因是纳米ZnO掺入后, 增强了涂层的电子输运能力、增加了有效发射体数目, 提高了场增强因子β, 而金刚石保证了热处理后涂层与衬底的良好键合, 形成了欧姆接触, 降低了场发射电流的热效应.场发射电流的稳定性随掺混ZnO量的增加而下降, 要兼顾场发射电流密度及其稳定性, 适量掺入ZnO可有效提高纳米金刚石的场发射性能.
表征 场发射特性 水热法 纳米金刚石 氧化锌纳米棒 掺混 键合 Characterization Field emission characteristics Hydrothermal route Nano-diamond ZnO nanorods Mixed Bonding
