运用第一性原理研究了Ag掺杂及缺陷共存对ZnO光电性质的影响。计算结果表明富O条件有利于Ag的掺杂, 贫O条件不利于Ag的掺杂。Ag掺杂浓度较低时有利于模型的稳定, 其在富O或贫O条件下都以AgZn为主要掺杂方式。当Ag掺杂浓度较高时, 富O条件下以AgZn-AgZn为主要掺杂方式, 贫O条件下AgZn-Agi是较为有利的掺杂方式。富O条件下Ag掺杂较难引入VZn和Oi共存缺陷。贫O条件下优先出现的模型为VO, VO在一定程度上会促进Ag的掺杂。Ag掺杂降低了ZnO的带隙宽度, 掺杂浓度越大模型带隙宽度越窄。VZn、VO和Oi缺陷共存不同程度地增加了Ag掺杂模型的带隙宽度。Ag掺杂及VZn和Oi缺陷共存均使ZnO吸收边红移至可见光区, 扩展了ZnO对太阳光的吸收范围, 而AgZn-VO在可见光范围内依然是透明。在低能区紫外-可见光范围内, AgZn-AgZn表现出更高的光吸收率, 但是相应形成能也高于AgZn。VZn的引入提高了AgZn-VZn和AgZn-AgZn-VZn对低能区紫外-可见光的吸收, VO的引入有利于ZnO表面吸附更多的O2进而产生更多的H2O2和·HO强氧化性物质, 即VZn和VO缺陷共存都有利于ZnO光催化性能的提高。
Ag掺杂 缺陷共存 第一性原理 光催化性质 光电性质 ZnO ZnO Ag doping defect coexistence first-principle photocatalytic property photoelectric property
Author Affiliations
Abstract
Institute of Photoelectronic Thin Film Devices and Technology of Nankai University, Key Laboratory of Photoelectronic Thin Film Devices and Technology of Tianjin, Engineering Research Center of Thin Film Photoelectronic Technology, Ministry of Education, Tianjin 300350, China
Chalcopyrite (CIGS) thin films deposited in a low-temperature process (450°C) usually produce fine grains and poor crystallinity. Herein, different Ag treatment processes, which can decrease the melting temperature and enlarge band gap of the CIGS films, were employed to enhance the quality of thin films in a low-temperature deposition process. It is demonstrated that both the Ag precursor and Ag surface treatment process can heighten the crystallinity of CIGS films and the device efficiency. The former is more obvious than the latter. Furthermore, the Urbach energy is also reduced with Ag doping. This work aims to provide a feasible Ag-doping process for the high-quality CIGS films in a low-temperature process.
CuSe2 thin film low-temperature deposition process Ag doping crystallinity Urbach energy Chinese Optics Letters
2021, 19(11): 114001
宽禁带直接带隙半导体材料氧化锌(ZnO), 具有优异的光电性能、 机械性能和化学特性。 ZnO材料的结构对其性能影响较大, 元素掺杂可改变ZnO晶体结构和带隙宽度, 是提升ZnO材料性能的有效手段, 当前常用Ag掺杂ZnO即为提高光催化反应效率。 高压独立于温度、 成分, 是调控材料结构组织性能的重要手段, 是产生新材料、 发现新调控原理的重要因素。 该研究通过对比纯ZnO晶体和Ag掺杂ZnO晶体的高压相变行为, 揭示了元素掺杂对ZnO纳米晶体材料结构性能的影响。 研究首先采用水热法辅助制备纯ZnO纳米微球和Ag掺杂ZnO纳米微球(1∶150Ag/ZnO), 表征结果显示水热法合成的纯ZnO和1∶150Ag/ZnO均为六角纤锌矿晶体结构, 形貌均为几十纳米尺寸小颗粒堆积形成的微球, ZnO晶格常数随着Ag离子掺杂而变大, Ag掺杂导致ZnO晶格膨胀。 随后应用金刚石压腔结合原位拉曼光谱技术测定了纯ZnO和Ag掺杂ZnO的高压结构相变行为。 相比于纯ZnO拉曼峰, Ag掺杂ZnO的E2(high)振动模式439 cm-1拉曼峰峰宽变窄, 并呈现向低频方向移动的趋势, 与无定形ZnO谱峰相近, 表明Ag+取代Zn2+影响了Zn—O键, 同时也影响了ZnO晶格结构的长程有序性。 随体系压力增大, 表征六角纤锌矿结构ZnO的拉曼特征峰439 cm-1出现瞬间弱化和宽化。 压力增大至9.0 GPa时, 纤锌矿结构ZnO拉曼特征峰439 cm-1消失, 585 cm-1处出现新峰, ZnO晶体发生由六角纤锌矿向岩盐矿的结构转变。 压力继续增大至11.5 GPa, 新的拉曼峰显著增强, 峰形变窄, 同时向高波数方向移动, 相变完成, 岩盐矿结构ZnO性能稳定。 1∶150 Ag/ZnO从六角纤锌矿结构到立方岩盐结构的相变压力为7.2 GPa, 低于纯ZnO。 相变压力降低表明晶体结构稳定性下降, 可能的原因在于掺杂Ag导致ZnO晶格膨胀, 晶体结构松弛, 两相相对体积变化增加, 从而导致相变势垒降低, 使样品在较低压力下发生相变。 纳米材料的高压研究揭示了元素掺杂对材料结构稳定性的影响, 是纳米材料调控原理的潜在研究手段。
ZnO纳米材料合成 Ag掺杂 高压 结构相变 拉曼光谱 Synthesis of ZnO nanomaterials Ag doping High pressure Structural phase transition Raman spectroscopy
ZnO/GaN异质结带隙宽度较宽, 制约了对可见光的吸收。为研究 Ag对ZnO/GaN异质结可见光吸收的影响, 在 (1-100)非极性面上构建 GaN/ZnO异质结, 并用 Ag分别取代不同位置的 Zn和Ga原子, 采用第一性原理计算 Ag掺杂对ZnO/GaN异质结稳定性、电子结构、光学性质和带边位置的影响。研究结果表明：Ag掺杂ZnO/GaN异质结形成能为负值, 结构稳定; Ag置换Zn和Ga使带隙宽度由2.93 eV分别减小至 2.7 eV和2.3 eV, 吸收系数和光电导产生红移, 有利于可见光的吸收, Ag掺杂ZnO/GaN异质结具有良好的光催化活性。
ZnO/GaN异质结 结构稳定性 可见光吸收 第一性原理 态密度 ZnO/GaN heterostructure structural stability visible light absorption first principle Density Of State(DOS) Ag doping 太赫兹科学与电子信息学报
2020, 18(4): 744
1 中国科学院 宁波材料技术与工程研究所 中国科学院海洋新材料与应用技术重点实验室 浙江省海洋材料与防护技术重点实验室, 宁波 315201
2 酒泉职业技术学院 甘肃省太阳能发电系统工程重点实验室, 酒泉 735000
3 中国科学院大学 材料与光电研究中心, 北京 100049
采用反应磁控溅射技术, 通过改变溅射靶电流实现了不同Ag掺杂含量0.7at%~41.4at%非晶碳膜(a-C:Ag)的可控制备, 并系统研究了Ag含量对薄膜组分、结构、机械特性的影响规律, 以及薄膜的电学特性。结果表明: 当Ag含量在0.7at%~1.2at%时, Ag原子固溶于非晶碳基质; 当Ag含量在13.0at%~41.4at%范围, 薄膜中出现尺寸约为6 nm的Ag纳米晶。随着Ag含量增加, 碳网络结构的sp 2团簇尺寸增大, 结构无序度降低。应力测试表明, 在低Ag含量范围, Ag原子固溶于碳膜网络结构中, 起到枢纽作用, 促进碳网络结构键长、键角畸变弛豫, 从而降低薄膜应力。随着Ag含量增加, 部分Ag原子将形成Ag纳米晶粒, 薄膜通过Ag纳米晶与非晶碳界面处的滑移以及扩散作用释放过高的畸变能降低应力。Ag含量为37.8at%时, 在11.6 K附近, 薄膜出现金属-半导体特性转变。而Ag含量为41.4at%的薄膜, 在2~400 K测试温度范围内, 均表现为半导体特性, 其中在164~400 K范围内, 薄膜表现出典型的热激活导电机制。
非晶碳 银掺杂 结构表征 机械特性 电学特性 amorphous carbon Ag doping structure characterization mechanical property electrical behavior 
