学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

氧化锌的掺杂效应以及石墨烯结构缺陷的第一性原理研究

作　者: 吴亮
导　师: 李有勇
学　校: 苏州大学
专　业: 材料学
关键词: 氧化锌 掺杂 石墨烯 缺陷 第一性原理
分类号: O614.241
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 44次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载
 

内容摘要


氧化锌(ZnO)是一种理想的半导体材料,在固体器件领域有着广泛的应用前景。对氧化锌增加压力,它能从四配位的纤锌矿结构(B4)转变成六配位的岩盐结构(B1)。掺杂是改善材料性质的一种有效的方法,尤其是在半导体材料领域。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法来研究过渡金属元素(V、Cr、Mn、 Fe, Co和Ni)掺杂氧化锌的一些性质。我们发现过渡金属元素的掺杂降低了B4→B1相转变压力,但是没有改变其相转变的路径。这一发现与先前的实验结果一致。过渡金属元素的掺入引起了晶格畸变,这导致了体积弹性模量的降低并且促进了相转变的发生。对于态密度的研究发现,掺杂后的ZnO是具有磁性的,并且这一磁性来源于过渡金属元素的d轨道。由于Mn原子的d轨道电子是半充满的,所以其掺杂后的ZnO显示了最强的磁性。对于V_以及Cr-掺杂的ZnO来说,B4→B1的相转变使得体系的磁性增强了；而对于Mn-、Fe-、Co-、Ni掺杂的ZnO来说,B1结构的磁性小于B4结构的磁性。这一结果能够用过渡金属原子与其相邻的O原子间的电荷转移来解释。我们的研究结果为改变ZnO的结构和性质提供了理论基础。石墨烯(graphene)有着非常优异的性能,将来有望在半导体领域代替传统硅材料。石墨烯材料中的点缺陷能够对其性质有着很大的影响,所以我们可以人为地引入缺陷结构来改善或者提升石墨烯材料的应用价值。在辐照或者热处理的条件下,这些缺陷结构会在石墨烯上发生迁移、合并。要想得到理想的缺陷石墨烯材料,我们就需要具体研究这些缺陷结构的动力学行为。本文中我们利用了基于密度泛函理论的第一性原理方法,通过过渡态搜索的计算研究了常见点缺陷的迁移、合并的能垒。我们发现,单空位缺陷以及吸附原子缺陷在完美石墨烯中的迁移能垒不高,在辐照或者热处理条件下,点缺陷会在石墨烯上发生迁移并发生合并。两个相近的单空位缺陷能够通过迁移先形成相邻单空位(Di-SV),然后合并成为双空位V2(5-8-5)缺陷,其合并能垒为1.17eV。此外,双空位缺陷V2(5-8-5)通过C-C键的旋转能发生结构重构,形成V2(555-777)缺陷和V2(5555-6-7777)缺陷,但是,双空位缺陷的结构重构能垒很高,远远高于单空位的汗移与合并能垒。双空位缺陷中的V2(5-8-5)缺陷会与附近的吸附原子缺陷Cad发生合并,并被修复成单空位缺陷,其合并能垒为1.36eV。而V2(555-777)缺陷并不会被吸附原子缺陷Cad修复。

全文目录


中文摘要  4-6
Abstract  6-10
第一章 绪论  10-26
  1.1 氧化锌材料概述  10-16
    1.1.1 氧化锌晶体结构、性质以及相转变  11-12
    1.1.2 氧化锌的掺杂  12-13
    1.1.3 氧化锌基稀磁半导体  13-16
  1.2 石墨烯材料概述  16-24
    1.2.1 石墨烯的结构及性质  16-18
    1.2.2 石墨烯中的结构缺陷  18-23
    1.2.3 石墨烯缺陷的动力学行为  23-24
  1.3 本论文的研究目的及意义  24-26
第二章 计算理论基础  26-35
  2.1 材料模拟与计算的产生与发展  26
  2.2 计算方法分类  26-27
  2.3 第一性原理介绍  27-28
  2.4 计算机模拟的理论基础  28-33
    2.4.1 波恩-奥本海默(Born-Oppenheimer)近似  28-29
    2.4.2 哈特利-福克(Hartree-Fock)单电子近似  29
    2.4.3 密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)  29-33
  2.5 计算软件介绍  33-35
    2.5.1 CASTEP原理与方法介绍  33
    2.5.2 DMol~3原理与方法介绍  33-35
第三章 过渡金属掺杂ZnO及其相转变的研究  35-55
  3.1 引言  35-36
  3.2 计算方法  36-37
  3.3 结果与讨论  37-53
    3.3.1 ZnO的B4→B1相转变及其相平衡压力  37-40
    3.3.2 ZnO相转变路径  40-44
    3.3.3 过渡金属掺杂对ZnO相转变影响  44-49
    3.3.4 过渡金属掺杂对ZnO电学及磁学性质的影响  49-53
  3.4 本章总结  53-55
第四章 石墨烯中点缺陷的动力学行为的研究  55-67
  4.1 引言  55
  4.2 计算模型和计算方法  55-56
  4.3 结果与讨论  56-66
    4.3.1 缺陷形成能的计算  56-57
    4.3.2 单空位的迁移与合并  57-60
    4.3.3 双空位结构中的结构重构  60-61
    4.3.4 吸附原子缺陷与双空位的相互作用  61-66
  4.4 本章小结  66-67
参考文献  67-72
攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文  72-73
致谢  73

相似论文

  1. 钛酸盐光催化剂的制备及光催化分解水性能,O643.36
  2. 稀土元素掺杂Ca3Co4O9与Ag复合材料的制备及热电性能,TQ174.1
  3. 超低碳贝氏体钢CO2激光-GMA复合焊接特性研究,TG456.7
  4. 静电纺丝法制备TiO2及其光催化行为的研究,O614.411
  5. 钛酸钡基NTC热敏陶瓷电阻的制备与研究,TQ174.1
  6. 掺杂锐钛矿型二氧化钛光催化性能的第一性原理计算,O643.36
  7. Bi、N共掺杂TiO2的制备及性能的研究,O614.411
  8. 功能化纳米二氧化钛多孔材料的制备、表征及性能研究,TB383.1
  9. 有序多孔TiO2薄膜的制备及其性能研究,TB383.2
  10. 石墨烯和石墨烯基四氧化三钴复合物的制备及其电化学性能研究,O613.71
  11. 新型功能化氧化石墨烯药物载体的合成及其性能研究,TQ460.4
  12. 一维纳米TiO2的制备及染料废水脱色研究,TB383.1
  13. 年轻男男性行为人群HIV和梅毒感染状况及其相关因素,R512.91
  14. GNS/MnO2吸附剂去除废水中重金属离子的实验研究,X703
  15. C++代码缺陷检测系统的研究与设计,TP311.53
  16. 锂离子层状正极材料LiMO2（M=Co，Ni，Mn）的第一性原理的研究,TM912
  17. 两株拟除虫菊酯类农药降解菌的降解粗酶降解特性初探,X592
  18. 铁、镧掺杂纳米TiO2的制备及光催化性能研究,O614.411
  19. 半导体光催化材料的制备及其光催化性能研究,O643.36
  20. 我国行政监督体制的缺陷与对策研究,D630
  21. 石墨烯制备及其缺陷研究,O613.71

中图分类: > 数理科学和化学 > 化学 > 无机化学 > 金属元素及其化合物 > 第Ⅱ族金属元素及其化合物 > 锌副族（ⅡB族金属元素） > 锌Zn
© 2012 www.xueweilunwen.com