Mo_Ce掺杂对ZnO物性影响的第一性原理研究

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1、分类号:学校代码:10128UDC:学号:20151100068硕士学位论文（学生类别：全日制学术型硕士研究生学科名称：物理电子学论文题目：Mo/Ce掺杂对ZnO物性影响的第一性原理研究英文题目：StudyonthePhysicalPropertiesofMo/CeDopedZnObyFirstPrinciple学生姓名：贾晓芳导师姓名：侯清玉教授二○一八年四月内蒙古工业大学硕士学位论文摘要ZnO因为其完美晶体特性，在高温和高压下稳定性良好。凭借着优良的物理性能，ZnO在透明导电氧化物、光催化剂、光电子器件和稀磁半导体等技术领域具

2、有广泛的应用价值。过渡金属或稀土元素掺杂ZnO均能够调控其物理性能，目前已有一定科研成果。然而，过渡金属元素Mo和稀土元素Ce掺杂使得ZnO吸收光谱分布存在红移或蓝移两种相悖的结果，稀土元素Ce掺杂ZnO的磁性机理也频有争议。为了解决这些问题，本文利用MaterialsStudio8.0的CASTEP模块，基于DFT的GGA+U方法探究Mo、Ce掺杂对ZnO的光学、电学和磁学性能的影响。为解决关于Mo掺杂ZnO体系吸收光谱的争议，构建了未掺杂ZnO、不同Mo掺杂浓度Zn0.9583Mo0.0417O和Zn0.9375Mo0.062

3、5O超胞模型。其次，为了判断体系的磁性特征，又构建了三种不同Mo-Mo间距的Zn14Mo2O超胞模型。计算体系能带结构、态密度分布、吸收光谱以及磁矩。研究发现，在2.08-3.13at.%的范围内，Mo掺杂量增加，体系体积增大，稳定性有所下降。与未掺杂ZnO相比，Mo掺杂导致ZnO带隙变窄，吸收光谱红移。与此同时，Mo掺杂使得ZnO发生n型化，MO掺杂量增加，掺杂体系电子有效质量、电子浓度、迁移率、电导率均逐渐减小，导电性能减弱。Mo掺杂使ZnO获得铁磁性，铁磁性主要来自于Mo-4d与O-2p轨道在导带底的杂化耦合电子交换作用。当

4、双掺Mo-Mo间距最近，体系磁矩发生淬灭；当双掺Mo-Mo间距较远时，体系具有铁磁性。铁磁性的居里温度高于室温。为了解决Ce掺杂ZnO吸收光谱和磁性机理的争议，本文构建了未掺杂ZnO、Zn0.9687Ce0.0313O、Zn0.9583Ce0.0417O和Zn0.9375Ce0.0625O超胞模型，探究体系的磁光性能。研究发现，Ce掺杂量增加，使得体系的体积增大，稳定有所减弱。Ce掺杂使得ZnO带隙变窄，吸收光谱在紫外光区发生红移。Ce掺杂使得ZnO体系获得铁磁性，磁性是由Ce-4f、Ce-5d和O-2p轨道电子交换作用引起的。其

5、次，在相同掺杂浓度下，构建四种不同间距的Zn30Ce2O32模型。计算结果表明，当-Ce-O-Ce-沿a轴方向成键时，体系是反铁磁性的；当-Ce-O-Ce-沿偏c轴方向成键时，体系具有铁磁性，Ce-Ce原子间距增大，铁磁性磁矩有所减弱。最稳定掺杂体系铁磁性的居里温度高于室温。通过第一性原理，本文获得Mo掺杂ZnO导电性能的变化规律，确认了Mo、Ce掺杂ZnO体系吸收光谱存在分歧的原因，提出了Mo、Ce掺杂ZnO体系的室温铁磁性，并且合理解释了铁磁性的微观机理，这对实现Mo、Ce掺杂ZnO光催化剂和稀磁半导体材料的应用有关键性指导意

6、义。关键词：Mo掺杂ZnO；Ce掺杂ZnO；室温铁磁性；吸收光谱I内蒙古工业大学硕士学位论文AbstractZnOhasperfectcrystalproperties,goodstabilityunderhighvoltageandhightemperature,andisawidebandgapsemiconductormaterial.Withexcellentphysicalproperties,ZnOhasgreatapplicationvalueinthefieldsoftransparentconductiveoxi

7、des,photocatalysts,optoelectronicdevices,anddilutemagneticsemiconductors.AlargenumberoftheoreticalandexperimentalstudieshavedemonstratedthatdopingoftransitionmetalelementsandrareearthelementscanimprovethephysicalpropertiesofZnO.Therefore,intherangeof2.08-3.13at.%ofMod

8、opingconcentration,thereexistedtwoexperimentalresultsofred-shiftandblue-shiftofabsorptionspectrum.Atthesametime,theabsorptio