ZnS及其摻雜體系的電子結構和光學性質計算與實驗驗證.pdf

1、ZnS是一種寬禁帶化合物半導體材料，具有閃鋅礦和纖鋅礦兩種不同的結構，禁帶寬度為3.68 eV。單純ZnS材料自身存在一些不足，不利于它在光電子器件方面的應用，可以通過離子摻雜來改變其光電性能、提高發(fā)光質量、發(fā)光效率和擴展發(fā)射光譜范圍。與計算機技術相結合的材料計算與設計是現(xiàn)代科學材料研究的重要手段，可以獲取材料的微觀信息，預測其宏觀性質。本文中，我們采用基于密度泛函理論的平面波超軟贗勢法計算了ZnS及其摻雜體系電子結構和光學性質，與共沉

2、淀法制備獲得的ZnS晶體材料的實驗結果進行比較驗證。論文主要內容如下：
　　(1)計算了理想配比的ZnS和存在本征缺陷時的ZnS的電子結構和光學性質。計算結果表明，ZnS為直接帶隙半導體，存在硫空位(Vs)缺陷時，帶隙減小，晶胞內產生了未成鍵的兩個電子在導帶底形成深施主能級，存在鋅空位(VZn)時在價帶頂產生受主能級。光學性質的計算表明存在結構缺陷Vs和VZn時，晶體絕緣性增強，折射率、反射率和能量損耗函數(shù)都表現(xiàn)出與介電函數(shù)相對應

3、的特征。通過改變前驅物滴加順序得到的含不同缺陷的ZnS晶體，進行了吸收光譜和熒光光譜的表征，并與理論結果進行比較，吸收的變化與理論分析基本一致，其中430 nm附近的發(fā)光與Vs能級相關，隨樣品制備過程中Vs的數(shù)量而發(fā)生改變。
　　(2)對Zn1-xCdxS三元混晶的電子結構和光學性質進行計算，討論了x對Zn1-xCdxS帶隙和對其中的缺陷能級形成的影響機制，同時還計算了晶體存在結構缺陷Vs時的電子結構，分析了缺陷能級隨x值的移動規(guī)

4、律。共沉淀法制備了Zn1-xCdxS三元混晶，并對其進行了退火處理，XRD圖譜表明Cd2+進入ZnS晶格替代Zn2+形成了Zn1-xCdxS合金相，吸收光譜測量顯示了與理論計算相符的能帶和吸收截止邊的移動規(guī)律，熒光光譜顯示與結構缺陷Vs相關的發(fā)射峰隨著x的增大，從ZnS的435 nm紅移到CdS的620 nm，與計算得到的Vs缺陷能級的移動規(guī)律相同。
　　(3)計算了Cu摻雜ZnS、Al摻雜ZnS和Cu、Al共摻雜ZnS的電子結構

5、和光學性質。計算結果表明：Al摻雜能實現(xiàn)n-型金屬ZnS，Cu摻雜ZnS后在價帶頂提供空穴載流子。Cu和Al共摻狀態(tài)下，由于激活受主Cu的加入，施主Al和受主Cu的相互吸引提高了摻雜物的結合度，從而提高施主摻雜濃度。通過共沉淀法制備的Cu-Al摻雜ZnS晶體，進行了熒光光譜和熒光衰減曲線的表征，結合計算的電子結構對光譜進行分析，認為摻Cu后503 nm的綠光來自Vs缺陷能級到銅鋅替位(CuZn)的躍遷；摻Al后發(fā)光峰較純ZnS有微小藍移