CdS低維納米材料的自旋極化及光電性質(zhì)的研究.pdf

1、硫化鎘(CdS)是典型的Ⅱ-Ⅵ族直接帶隙半導體材料，室溫下帶隙寬度為2.42eV，是靈敏度較高的N型光電導器件材料，也是壓電器件材料，具有許多優(yōu)異的光學和電學性質(zhì)，在發(fā)光二極管、傳感器、太陽能電池、光探測器、光波導器件和非線性光學器件等領(lǐng)域有著廣泛的應用。
　　 對于半導體材料而言摻雜是非常重要的，通過摻雜可以調(diào)控材料的物理性質(zhì)。人們對CdS半導體的雜化做了大量的研究工作，尤其是如何設(shè)計鐵磁性的半金屬材料，使之在自旋電子學器件中

2、有良好的應用前景，但對稀磁材料中的磁性起源有很多的爭論。降低材料的尺寸或者維度也可以調(diào)控材料的物理性能，如量子尺寸效應能使CdS的表面構(gòu)型和電子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，對其磁學、電學和光學性質(zhì)等產(chǎn)生重要影響。在2010年，對石墨烯的開創(chuàng)性研究獲得諾貝爾物理學獎，受到石墨烯和類石墨烯氮化硼的啟發(fā)，人們開始關(guān)注其他類石墨烯結(jié)構(gòu)的二元化合物，他們具有豐富的電學特性。而一維納米結(jié)構(gòu)由于具有有利于載流子定向傳輸?shù)挠行蚪Y(jié)構(gòu)，并且能夠提高材料中空穴和電子的傳輸

3、效率和分離效率，也受到人們的廣泛關(guān)注。近幾年實驗中對CdS的研究也取得了令人矚目的成績，已經(jīng)合成了類石墨烯結(jié)構(gòu)的六角蜂窩狀的CdS納米面和一維CdS納米線/納米帶和量子點。
　　 同時，以密度泛函理論為基礎(chǔ)的第一性原理計算在量子化學、凝聚態(tài)物理和材料科學中也得到非常廣泛和成功的應用，也是研究納米材料的有力工具。本論文采用第一性原理計算方法，首先研究非磁性元素摻雜對CdS納米材料的自旋極化和光電性質(zhì)的影響，其次通過改變CdS低維納

4、米材料的表面結(jié)構(gòu)和氫化CdS表面原子的方式，達到對CdS納米材料的電子能帶結(jié)構(gòu)進行調(diào)制的目的，使之成為在自旋電子學器件上有良好應用價值的納米材料。主要的研究內(nèi)容及研究結(jié)果如下:
　　 (1)綜述CdS納米材料的研究意義和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出本課題的選題意義和研究內(nèi)容。
　　 (2)介紹本論文所使用的理論研究方法和應用程序軟件，包括密度泛函理論的主要內(nèi)容、針對不同具體問題所提出的多個密度泛函理論的發(fā)展方向及常見的密度泛函計

5、算軟件，和本論文研究過程中主要使用的WIEN2K軟件特點。
　　 (3)雖然磁性元素摻雜半導體材料可獲得鐵磁性材料，但無法證明其磁性是內(nèi)稟性的，所以本論文選擇非磁性金屬Cu摻雜CdS獲得鐵磁性材料。首先，通過形成能的計算結(jié)果討論實驗中選擇非磁性金屬Cu摻雜CdS的可行性，其次討論廣義梯度近似對Cu摻雜CdS費米能級附近電子結(jié)構(gòu)的影響，研究Cu摻雜CdS超晶胞的電子結(jié)構(gòu)、自旋極化特性，討論體系的鐵磁性起源，最后分析不同濃度的Cu摻

6、雜對CdS光電性質(zhì)的影響。
　　 計算結(jié)果表明:富硫情況下Cu替換Cd，體系結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定;適中的形成能說明了實驗中實現(xiàn)Cu高濃度摻雜CdS材料的可行性;由于Cu-3d和S-3p軌道雜化，系統(tǒng)呈現(xiàn)半金屬性，具有100％自旋極化，產(chǎn)生了1.0μB/Cd35CuS36的磁矩;通過Cu(3d)-S(3p)-Cd-S(3p)-Cu(3d)作用鏈使Cu摻雜CdS材料是室溫下的長程鐵磁性材料;也正是由于Cu的d軌道和S的p軌道在費米能級附近的雜

7、化，提高了Cu的d軌道和S的p軌道間的電荷轉(zhuǎn)移，增加了系統(tǒng)的導電性;隨著Cu摻雜濃度的增加，Cu摻雜CdS材料從半金屬逐漸過渡到金屬，介電函數(shù)虛部的第一個峰發(fā)生了紅移，靜態(tài)介電常數(shù)改變明顯;在紫外區(qū)，吸收系數(shù)非常大;Cu摻雜CdS后，在低能區(qū)出現(xiàn)了很多小的吸收峰，Cu摻雜CdS有利于可見光的吸收。
　　 (4)從纖鋅礦結(jié)構(gòu)沿著(0001)方向裁剪下來的單層CdS納米面(CdSnanosheets，簡稱CdSNS)，經(jīng)過結(jié)構(gòu)弛豫后

8、成為類石墨烯結(jié)構(gòu)的CdSNS。在第四章中我們主要討論CdSNS的電學特性、氫化對CdSNS電子結(jié)構(gòu)和磁學性質(zhì)的影響，以及C摻雜CdSNS對其自旋極化、光電性質(zhì)的影響。
　　 研究結(jié)果表明-CdSNS是直接帶隙的半導體，帶隙比體相材料的CdS帶隙寬;在氫化CdSNS的所有結(jié)構(gòu)中，H更容易吸附在Cd上，Cd-hydroCdSNS是室溫下的鐵磁性材料，呈現(xiàn)半金屬特性，具有100％自旋極化;磁矩主要局域在沒有吸附H的S未成對的2p電子上

9、;C摻雜CdSNS也是有磁性的半金屬材料，C-C是反鐵磁耦合，當有電子注入時，C-C變?yōu)殍F磁耦合，載流子調(diào)節(jié)的雙交換理論可以解釋C-C間的鐵磁性耦合機制;C摻雜CdSNS，體系的導電性增加，低能區(qū)的介電峰向著低能方向移動，即發(fā)生了紅移;吸收譜的光學吸收邊向著低能方向移動，C摻雜CdSNS增加了可見光的吸收強度。
　　 (5)研究CdS納米線（CdSnanowires，簡稱CdSNWs）的優(yōu)化處理，討論氫化CdS納米線后的電子結(jié)構(gòu)

10、、磁學性質(zhì)的變化情況。研究發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)弛豫會大大影響CdSNWs的幾何形狀和電子結(jié)構(gòu);氫化不同的表面原子，可實現(xiàn)對CdSNWs的磁性調(diào)控，氫化S原子時，CdSNWs沒有磁性，而氫化Cd時，尤其是表面的Cd有一半氫化時，CdSNWs是100％自旋極化的半金屬，是良好的自旋電子學材料;氫化時，部分占據(jù)的S-3p態(tài)和H-1s態(tài)發(fā)生雜化，導致費米能級附近的能帶發(fā)生了劈裂，是產(chǎn)生自旋極化的主要原因。
　　 (6)第六章對本論文的研究內(nèi)容進行了