摻雜SnO2材料光電性能改性的研究.pdf

1、二氧化錫(SnO2)材料是一種具有金紅石結(jié)構(gòu)的寬禁帶半導(dǎo)體材料，是一種重要的無(wú)機(jī)功能材料。SnO2是一種新型透明導(dǎo)電氧化物，它的寬帶隙(3.6eV)和高激子束縛能(130meV)使得二氧化錫基半導(dǎo)體材料具有發(fā)展?jié)摿?。摻雜SnO2所形成的材料具有高導(dǎo)電性、高透光率、高紅外反射率、高紫外吸收率等性能，從而使Sn02有更廣泛的應(yīng)用前景。本論文將以SnO2為基材料，采用基于密度泛函理論第一性原理的全電勢(shì)線性綴加平面波法，在廣義梯度近似(GGA)

2、下應(yīng)用WIEN2K軟件進(jìn)行計(jì)算。
　　 首先，我們構(gòu)建2×2×2的SnO2超晶胞結(jié)構(gòu)，并分別以過(guò)渡金屬元素Fe、Mn進(jìn)行摻雜，接著以非金屬元素S與Fe共摻，繼而又將Sn15FeO32結(jié)構(gòu)注入電子，研究電子態(tài)密度、能帶圖以及光學(xué)圖譜。研究結(jié)果表明，摻Fe后材料呈現(xiàn)半金屬性，隨摻雜濃度增加，費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入價(jià)帶，帶隙逐漸減小，F(xiàn)e原子之間耦合作用增強(qiáng)；通過(guò)摻雜能夠在一定程度上改變成鍵性質(zhì)，使其具有金屬鍵性質(zhì)；光學(xué)譜線（吸收譜、反射譜等）

3、與介電函數(shù)虛部譜線相對(duì)應(yīng)，各譜線均發(fā)生藍(lán)移現(xiàn)象，各峰值與電子躍遷吸收有關(guān)。而摻雜Mn原子之后，帶隙同樣減小，這主要是由于Mn3d和02p態(tài)之間的強(qiáng)烈耦合在導(dǎo)帶底引入了一系列雜質(zhì)能級(jí)所致。摻Mn后材料為P型半導(dǎo)體，且隨著Mn濃度增加，介電函數(shù)虛部及吸收譜均發(fā)生紅移。Fe、S共摻時(shí)，材料仍為直接帶隙半導(dǎo)體，體系呈現(xiàn)半金屬性，且隨S濃度增加，態(tài)密度向低能方向移動(dòng)，帶隙減??；共摻體系電荷密度重新分布，隨S濃度增加，F(xiàn)e原子極化程度增強(qiáng)，原子間鍵

4、合能力增強(qiáng)；共摻后介電函數(shù)虛部譜與光學(xué)吸收譜各峰隨S濃度增加而發(fā)生紅移，光學(xué)吸收邊減小。對(duì)于電子注入Sn15FeO32體系，當(dāng)注入電子數(shù)小于1.2時(shí)，材料表現(xiàn)為半金屬；當(dāng)注入電子1.0個(gè)，總磁矩最大為5.19μB;隨著電子濃度增加，光學(xué)圖譜向低能級(jí)方向藍(lán)移，光學(xué)吸收邊增大。
　　 其次，我們構(gòu)建2×2×3的Sn02超晶格結(jié)構(gòu)，分別以過(guò)渡金屬元素Fe、Mn一層及多層摻雜，之后以Fe、Mn共摻，分析電子態(tài)密度、電荷密度分布以及各光學(xué)

5、性質(zhì)。結(jié)果表明，我們以單層及兩層Fe原子進(jìn)行摻雜，F(xiàn)e的3d電子與Sn5p和O2p軌道雜化在費(fèi)米能級(jí)處形成了電子占據(jù)態(tài)，材料導(dǎo)電性增強(qiáng)、吸收譜展寬、在紫外-可見(jiàn)光區(qū)域反射率、折射率加寬。摻雜一層Mn原子時(shí)，在費(fèi)米能及處形成自旋向上的電子占據(jù)態(tài)，材料表現(xiàn)出半金屬性；摻雜兩層Mn原子時(shí)，兩層原子間存在較大差距，但雜質(zhì)原子磁矩都有所增加。當(dāng)用Fe、Mn共同摻雜超晶格SnO2，共摻與單摻時(shí)表現(xiàn)出了差異，特別是Fe、Mn原子的分波態(tài)密度，且Fe、