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氧化锌低维纳米结构的第一性原理计算

作　者: 崔晓东
导　师: 宗福建
学　校: 山东大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 纳米线纳米管纳米颗粒广义光学布洛赫方程单脉冲激光场光子发射曼代尔Q参数
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

ZnO是一种直接宽禁带的n型半导体材料，已在透明导电玻璃、太阳能电池、平板显示器和气敏传感器等领域得到了广泛应用。低维纳米结构的ZnO由于具有优异的光学、电学性质，在光电子器件、紫外激光系统等众多领域具有广阔的潜在应用前景，引起了科研工作者的广泛关注。本文运用基于密度泛函理论的SIESTA软件对ZnO低维纳米结构进行计算，主要内容如下：1.运用原子轨道线性组合结合模守恒赝势方法研究了不同横截面直径的纤锌矿结构[0001]ZnO纳米线的电子结构。理论计算表明纤锌矿结构[0001]ZnO纳米线具有宽的直接带隙，导带底和价带顶都位于布里渊区Γ点处，其导带主要由Zn-4s和Zn-4p轨道组成，而价带主要由Zn-3d和O-2p轨道组成，导带底和价带顶都比较平滑，导带电子和价带空穴的有效质量很大，它们的迁移率很低，说明纯净的无缺陷的纤锌矿结构[0001]ZnO纳米线的导电能力较差。随着横截面直径的增大，禁带宽度逐渐减小，这表明在一个纳米的尺寸范围内量子尺寸限制效应明显；形成能都小于零且随着横截面直径的增大而降低，说明在一定条件下可以通过体材料Zn和O₂制备纤锌矿结构[0001]ZnO纳米线，并且横截面直径越大其制备就越容易；在拉力的作用下，随着拉力的增大禁带宽度逐渐增大，这仍可归因于量子尺寸限制效应。2．运用原子轨道线性组合结合模守恒赝势方法分别研究了锯齿型（n，0）和扶手椅型（n，n）ZnO单壁纳米管的电子结构。理论计算表明这两种纳米管都具有宽的直接带隙，导带底和价带顶都位于布里渊区Γ点处。锯齿型（n，0）ZnO单壁纳米管的导带较为陡峭主要由Zn-4s和Zn-4p轨道组成，而价带相对较为平滑主要由Zn-3d和O-2p轨道组成，导带电子的有效质量比较小而价带空穴的有效质量比较大，导带电子迁移率较高而价带空穴迁移率较低，推测锯齿型（n，0）ZnO单壁纳米管会具有一定的导电能力；扶手椅型（n，n）ZnO单壁纳米管的导带主要由Zn-4s和Zn-4p轨道组成，价带主要由Zn-3d和O-2p轨道组成，导带底和价带顶都比较陡峭，导带电子和价带空穴的有效质量都比较小，它们的迁移率较高，推测扶手椅型（n，n）ZnO单壁纳米管会具有较强的导电能力；随着管径的增大，这两种纳米管的表面都变得越来越平滑，然而禁带宽度的变化与纤锌矿结构[0001]ZnO纳米线相比都很不明显，这表明在一个纳米的尺寸范围内量子尺寸限制效应不明显；形成能都小于零且随着横截面直径的增大而降低，说明在一定条件下可以通过体材料Zn和O₂制备这两种纳米管，并且横截面直径越大其制备就越容易，然而与纤锌矿结构[0001]ZnO纳米线相比，其形成能降低较慢，说明其制备比较困难；这两种纳米管在拉应力的作用下，都随着拉应力的增大禁带宽度在逐渐减小，这与Zn-O键长和建角的改变有关。3．运用原子轨道线性组合结合模守恒赝势方法研究了并得到了ZnO纳米颗粒具体的能级分布。理论计算表明该ZnO纳米颗粒在0K温度下可以认为是一个两能级体系，在假设这两个能级满足跃迁条件的情况下，运用广义光学布洛赫方程（GBE）计算了在单脉冲激光场下ZnO纳米颗粒的光子数发射事件，例如光子数发射随时间的变化、曼代尔Q参数和n光子数发射几率等。特别地，单光子发射几率最大值在单脉冲激光场下接近1。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-9
符号说明  9-10
目录  10-12
CONTENTS  12-14
第一章绪论  14-20
  1.1 ZnO的基本特性和结构  14-16
  1.2 国内外研究的现状  16-17
  1.3 计算材料学与材料设计  17-18
  1.4 研究目的与论文结构  18-20
第二章 SIESTA简介  20-26
  2.1 原子轨道线性组合的自洽场方法和模守恒赝势  20-22
  2.2 SIESTA软件介绍  22-26
第三童纤锌矿结构[0001]ZnO纳米线的第一性原理研究  26-38
  3.1 纤锌矿结构[0001]ZnO纳米线的电子结构  26-34
    3.1.1 计算模型  26-27
    3.1.2 计算结果和讨论  27-33
    3.1.3 纤锌矿结构[0001]ZnO纳米线的形成能  33-34
  3.2 轴向拉应力对纤锌矿结构[0001]ZnO纳米线的影响  34-38
    3.2.1 计算模型  35
    3.2.2 计算结果和讨论  35-38
第四章锯齿型(n,0)和扶手椅型(n,n)ZnO单壁纳米管的第一性原理研究  38-58
  4.1 锯齿型(n,0)ZnO单壁纳米管的第一性原理研究  38-47
    4.1.1 计算模型  38
    4.1.2 计算结果和讨论  38-44
    4.1.3 锯齿型(n,0)ZnO单壁纳米管的形成能  44-45
    4.1.4 轴向拉应力对锯齿型(n,0)ZnO单壁纳米管的影响  45-47
  4.2 扶手椅型(n,n)ZnO单壁纳米管的第一性原理研究  47-58
    4.2.1 计算模型  47-49
    4.2.2 计算结果与讨论  49-53
    4.2.3 扶手椅型(n,n)ZnO单壁纳米管的形成能  53-54
    4.2.4 轴向拉应力对扶手椅型(n,n)ZnO单壁纳米管的影响  54-58
第五章单脉冲激光场作用下的ZnO纳米颗粒光子发射  58-68
  5.1 ZnO纳米颗粒的能级  58-59
  5.2 两能级系统的光子发射理论  59-61
  5.3 计算结果和讨论  61-68
第六章结论  68-69
参考文献  69-71
致谢  71-72
攻读硕士学位期间发表的学术论文目录  72-73
学位论文评阅及答辩情况表  73

氧化锌低维纳米结构的第一性原理计算

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