第一性原理研究稀土掺杂ZnO结构的光电性质

【摘 要】随着科学技术的不断发展，稀有金属元素资源已近逐渐应用到各行各业，我国政府正大力推进国家的稀有金属元素资源，第一性原理的稀有金属元素研究的完善与建立已经成为我国面对科学发展全球化形式所采取的重要步骤之一。作为资源整体的主要组成部分，ZnO元素的研究随着不断发展的科学研究工作，普遍地被应用在国内各项生产工业当中。稀土掺杂zno结构的光电性质的第一性，原理研究是一个新型的研究项目。

【关键词】第一性质原理;稀土掺杂;ZnO结构;光学性质

科技全球化和经济全球化推动了相关机构对科学研究的研究方向变迁，也为科学研究的项目目标提出了新的要求。在这样的背景下，对ZnO元素的研究就显得非常具有现实意义。ZnO是II-VI族一种最为直接宽带隙氧化物半导体材料，在室温条件下的能隙宽度大概为为3.37 eV，具有60 me的高激子束缚能、优良的光电特性以及稳定的化学性质等优点，在太阳能电池板、电脑显示器和透明导电薄膜以及半导体激光器等方面有着非常广阔的应用前景，已经成为继GaN元素之后的在短波长半导体材料研究方面的热点研究对象.现如今，人们主要通过ZnO薄膜光电器件方面的研究作为整个项目的重点，通过掺杂不同类型的元素对其进行光电改性研究方法进行研究.

一、稀土掺杂ZnO的光电性质的第一性原理研究

（一）模型的构建

ZnO晶体结构在热力学稳定时的矿型是六方纤锌型，在对ZnO研究进行模型构建时可以采用原子替代法，进行单掺杂时，在该晶胞模型中的特定位置用其他原子进行替代，使其成为特定浓度的掺杂ZnO结构。

（二）计算方法

在对该项研究进行计算时我们可以采用Materials Studio软件中的Castep（cambridge serial total energy pack-age）软件包来完成，该软件包利用的设计第一性原理通过分子运动力学理论以及DFT（密度泛函理论）为基础的带有精密计算功能的软件包，在周期性结构材料的计算中有着非常重要的作用，电子-电子相互作用的相关势和交换由GGA（广义梯度近似）或LDA（局域密度近似）进行校正.采用周期性边界的标准条件，用广义梯度相似的PBE（Perdew-Burke-Ernzerhof）来处理电子间的相互交换关联性能.先采用几何的方法对所建立的模型优化，令其能够得到最好的几何结构形式后再开始进行光学特性和相关结构的计算。

（三）计算结果分析

在实验计算结束后，对计算结果进行分析的时候，一旦ZnO结构中Zn态的能量的估计具有不确定性的时候，就会导致其与O态之间的相互作用不稳定，价带带宽就会产生变化，因此带隙发生改变，但实验与理论之间的带隙并不会影响到ZnO相关性质以及电子结构的理论分析。在试验中标准未掺ZnO的能带图显示出 ZnO 是直接带隙半导体，标准带隙为0.73eV.这一计算结果与相关文献得到的计算结果（0.72eV）十分接近。试验中得到的带隙分别达到1.16，1.18和1.21eV.说明稀土掺杂后ZnO结构的带隙变宽。

（四）前后稀土掺杂ZnO的光学性质

通过在对前后稀土掺杂ZnO的光学性质进行分析对比后，发现在稀土离子中加入ZnO晶格后，低温退火处理过程中，大部分的其他原子代替了Zn原子;在高温退火的过程中，部分其他原子析出了晶格。不仅如此，在退火温度的过程中和掺杂的过程中，晶的粒尺寸也发生了一定的变化。

二、稀土掺杂ZnO的光电性质的第一性原理研究意义

稀土掺杂ZnO的光电性质的第一性原理研究意义主要可以分为以下两点：

第一点，随着科学技术的高速发展，科学技术的应用程度正在成为国力竞争和社会生产力发展的主要决定因素。对于科学技术研究工作的开展，我国政府给予了高度的重视，大力推进各部门、各系统的科学技术研究建设，特别是稀有资源研究建设以及稀有资源应用建设。在这些前提背景下，稀有金属资源的科学化研究即稀有金属元素与稀土元素结合技术的逐渐新起，伴随着科学技术技术的进步，掺杂的稀有元素对象不断增加，其所应用的范围也在不断的丰富，该项应用逐步的改进了常规的生产机械材质和产品材质，使得工业技术的发展得到了推进。

第二点，现今，信息化、科学化建设已经被社会中的方方面面所应用，我国的稀有金属资源的研究也有了不短时间的发展历程，在稀有元素的研究上已经初具规模，可以用三个阶段来将稀有元素应用的发展划分开来：第一阶段，国家在研究重心上提出稀有元素的研究策略，实现基本的研究筹划和研究投入;第二阶段，国家通过本身的影响力实现对内的稀有元素科研人员进行培养，同时也可以实现稀有元素研究项目的建立实施，并且可以对二者进行重要的资金资助，使得内部有专业科研人员在科研所以及其他的一些科研机构进行稀有元素研究，实现最为简易的研究层次的完善;在科研信息交换平台上，多个研究部门或者机构能够实现在线互动讨论和数据处理，也为稀有元素的研究打下了坚实的基础。

基于以上两点，不难看出现今的稀土掺杂ZnO的光电性质的第一性原理研究具有着非常重要的现实意义。

三、结语

从上文的研究与讨论来看，随着科技的迅速发展和社会的不断进步，第一性原理研究稀土掺杂ZnO结构的光电性质的技术与社会发展的紧密结合已经成为了发展的必然趋势，虽然二者结合的现状，在实际的研究工作中还存在着一些问题，但是稀土元素掺杂ZnO元素的高性能和多功能化等特点都要明显强于当今稀土元素结合研究领域的其他技术，所以，它是现在以及未来生产和制造的科学发展研究的另一个新的方向，在我国工业化道路的进程中扮演着不可缺少的重要角色，相信在以后的各个领域其功能都将得到充分地应用。

参考文献

[1] 李泓霖，张仲，吕英波，黄金昭，刘如喜.Eu掺杂ZnO结构光电性质的第一性原理及实验研究[J].金属学报，2013（04）.

[2] 李泓霖，张仲，吕英波，黄金昭，张英，刘如喜.第一性原理研究稀土掺杂ZnO结构的光电性质[J].物理学报，2013（04）.