天然杂质对闪锌矿电子结构和半导体性质的影响.pdf

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1、物理化学学报(WuliHuaxueXuebao)OctoberActaPhys．一Chim．Sin．，2010，26(10)：2851—28562851[Article]www．whxb．pku．edu．cn天然杂质对闪锌矿电子结构和半导体性质的影响陈晔陈建华，，郭进(广西大学资源与冶金学院，南宁530004；广西大学物理科学与工程技术学院，南宁530004)摘要：采用密度泛函理论系统研究了分别含有十四种天然杂质的闪锌矿的电子结构，并讨论了这十四种杂质对闪锌矿半导体性质的影响．研究结果表明，锰、铁、钻、镍、铜、镉、汞、银、铅、锑杂质的存在使闪锌矿的带隙变窄，导致吸收带边增大．除了镉和汞杂质外，

2、其余杂质的存在均导致费米能级向高能级方向移动，并且在闪锌矿禁带中产生了杂质能级．铁、镓、锗、铟、锡、锑杂质使闪锌矿的半导体类型由P型变为n型；而锰、钴、镍、铜、镉、汞、银、铅杂质对闪锌矿的半导体类型没有影响．铜杂质使闪锌矿由直接带隙变为间接带隙半导体．关键词：密度泛函理论；闪锌矿；天然杂质；电子结构；半导体性质中图分类号：0649EffectofNaturalImpuritiesontheElectronicStructuresandSemiconductingPropertiesofSphaleriteCHENYeC脏NJian—Hua卫GUOJin(CollegeofResourcesan

3、dMetallurgy,GuangxiUniversity,Nanning530004，尸．R．China；CollegeofPhysicsScienceandTechnology，GuangxiUniversity，Nanning530004，PR．China)Abstract：Asystematicstudyoftheelectronicstructuresofsphaleritecontainingfourteenkindsofnaturalimpuritieswasperformedbythedensityfunctionaltheory．111eresultsshowthatMn，F

4、e，Co，Ni，Cu，Cd，Hg，Ag，Pb，andSbimpuritiesnarrowthebandgapofsphaleriteandcausetheabsorptionedgetoincrease．ForallimpuritiesexceptCdandHg，theFermilevelshiftstoahigherenergylevelandimpuritylevelsappearintheforbiddenband．Fe，Ga，Ge，In，Sn，andSbimpuritieschangethesphaleritefromaP—typetoa，z一哆pesemiconductorwhile

5、Mn，Co，Ni，Cu，Cd，Hg，Ag，andPbimpuritieshavenoeffect．Cuimpuritychangesthesphaleritefromadirectbandgaptoanindirectbandgaptypesemiconductor．KeyWords：Densityfunctionaltheory；Sphalefite；Naturalimpurity；Electronicstructure；Semiconductingproperty闪锌矿(ZnS)是一种重要的宽禁带半导体材料，其在太阳光利用方面的应用．近年来，研究表明在具有优良的光、电和催化性能，在光学器件

6、和光催化ZnS中掺杂过渡金属离子如Fe，Mn，Cu，Ag可等领域有着广泛的应用前景『1_3]．与其它半导体光催以改变ZnS的能带结构，明显提高它在可见光下化剂相比，闪锌矿的导带电位更负，在光激发下能产的光催化能力【8_q】．Kudo等发现Zncs固体溶液生还原电位更负的光生电子，具有更强的还原能具有可见光响应【砌，并且还发现Ni。+掺杂或Pb掺杂力，可以用于光还原产生H，以及多卤代芳香烃还的ZnS在可见光催化下，对氢气的分解表现出较高原脱卤去毒同等．但是由于纯闪锌矿的带隙达3．6的光催化活性【l1J．eV，很难吸收可见光，太阳能利用率低，从而限制了在天然闪锌矿中常常发现各种杂质，如铁、锰、Re

7、ceived：April28，2010；Revised：July12，2010；PublishedonWeb：August10，2010．Correspondingauthor．Email：jhchen1971@sina．com；Tel：+86—771—3232200；Fax：+86—771—3233566TheprojectwassupposedbytheNationalNaturalScien