一維氧化鋅納米錐場發(fā)射性質(zhì)第一性原理研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)作為一種新型的寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有較寬的直接帯隙能帶結(jié)構(gòu)，室溫下禁帶寬度為3.37eV，且激子結(jié)合能(60meV)遠(yuǎn)高于其他寬禁帶半導(dǎo)體材料，其激子在室溫下能夠穩(wěn)定存在，易于實(shí)現(xiàn)室溫或更高溫度下高效的激子受激發(fā)光。因此，氧化鋅在許多應(yīng)用領(lǐng)域，諸如液晶顯示器、薄膜晶體管、發(fā)光二極管、場致發(fā)射器件等產(chǎn)品中具有潛在的研究價值而備受人們關(guān)注。隨著納米材料的制備與研究日益成熟，ZnO納米結(jié)構(gòu)因其具有優(yōu)異的物化性質(zhì)而成為人們探究的

2、熱點(diǎn)。其中一維氧化鋅納米結(jié)構(gòu)場致發(fā)射性能得到廣泛的研究，因其具有良好的抗氧化能力、較高的熱穩(wěn)定性、負(fù)的電子親和能、成本低廉等特點(diǎn)，有望成為最理想的場發(fā)射陰極材料之一。但影響電子場致發(fā)射的因素眾多，如幾何結(jié)構(gòu)、形貌特征、外界條件等，尋找能夠提高和改善一維ZnO納米結(jié)構(gòu)場發(fā)射性能的方法是十分重要和必要的。然而實(shí)驗研究效率較低，研究成本較高，通過模擬計算從理論上進(jìn)行研究，極大地縮短了研究周期，并且對實(shí)驗研究起到指導(dǎo)作用，從而加快研究進(jìn)程。本文

3、運(yùn)用基于密度泛函理論的第一性原理軟件Materials Studio中的DMol3模塊理論研究了一維ZnO納米結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)型和場致發(fā)射特性，取得如下創(chuàng)新性結(jié)果：
　　(1)以第一性原理計算方法為基礎(chǔ)，研究了不同構(gòu)型的ZnO-NC(氧化鋅納米錐)，得到了五種穩(wěn)定的幾何結(jié)構(gòu)(根據(jù)ZnO-NC尖端原子構(gòu)型特征)：Zn-Zn(4P)， Zn-O(4P)，O-O(4P)，Zn-O(2Q-2H)和Zn-O(2Q-4H)，通過電子態(tài)密度(DOS

4、)，贗能隙，HOMO/LUMO(最高占據(jù)分子軌道/最低未占據(jù)分子軌道)，能隙分析表明：在外電場下，Zn-Zn(4P)表現(xiàn)出優(yōu)異的電子結(jié)構(gòu)特性，更具有發(fā)射電子的潛能。
　　(2)采用基于密度泛函理論第一性原理計算方法，研究了In/Mg原子分別摻雜Zn-Zn(4P)體系的場發(fā)射性能，結(jié)果表明:摻雜使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強(qiáng)，相比摻Mg和未摻體系，摻In提高了LDOS(局域態(tài)密度)峰值且峰位更靠近EF(費(fèi)米能級)，尖端電子密度增大；根據(jù)Mulli

5、ken電荷、HOMO(最高占據(jù)分子軌道)-LUMO(最低未占據(jù)分子軌道)能隙及有效功函數(shù)的計算，可知In-In(4P)具有更優(yōu)異的場發(fā)射性能。
　　(3)建立ZnO-NC(氧化鋅納米錐)數(shù)學(xué)模型，對靜電場中其尖端的電勢和電場進(jìn)行數(shù)值計算，得到場發(fā)射效應(yīng)因子表達(dá)式為β=H/8πε0-h/d(其中 h和d分別為ZnO-NC的高度和尖端直徑)，分析結(jié)果表明：ZnO-NC的高度與尖端直徑之比對場發(fā)射效應(yīng)因子的影響最為顯著，在ZnO-NC結(jié)

6、構(gòu)穩(wěn)定且d為定值的情況下，h越高尖端的場發(fā)射因子越大，納米錐尖端場強(qiáng)越強(qiáng)，其場發(fā)射性能越突出。
　　(4)采用第一性原理計算方法，研究了不同高度ZnO-NC的場發(fā)射性能，結(jié)果表明：在ZnO-NC結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且尖端直徑d為定值的情況下，隨著其高度h的增大其尖端場發(fā)射效應(yīng)因子β增大，根據(jù)DOS（態(tài)密度）、電子密度、Mulliken電荷、能隙及有效功函數(shù)的計算，可知h對尖端場發(fā)射性能影響顯著，通過控制ZnO-NC的高度可有效提高其場發(fā)射性能