鄒海鈞畢業(yè)論文

1、壓力對ZnO半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)影響物理與電子工程學(xué)院物理學(xué)（師范）專業(yè)2009級 鄒海鈞指導(dǎo)教師 曾召益摘 要：氧化鋅（ZnO）是-族化合物，被認(rèn)為是新一代的光電半導(dǎo)體材料，具有廣泛的應(yīng)用前景，已成為人們近期研究的熱點之一。本論文主要是研究壓力在不斷變化時氧化鋅（ZnO）半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)是怎樣變化的。通過計算機(jī)運(yùn)用Materials Studio軟件模擬并計算，最后分析數(shù)據(jù)，從而得出壓力對氧化鋅半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)影響的結(jié)果，并進(jìn)一步分析結(jié)果得出結(jié)論。關(guān)鍵字：氧化鋅（ZnO）；晶格結(jié)構(gòu)； 第一性原理Abstract: zinc oxide (ZnO) is - compounds, is thoug

2、ht to be a new generation of optoelectronic semiconductor material, has wide application prospects, has become one of hot topics in the study of people in the near future. This thesis mainly is the study of zinc oxide (ZnO) when changing pressure in the lattice structure of the semiconductor is how

3、to change. Through the computer using the Materials Studio software simulation and calculation, in the final analysis data, calculated the stress influence on Zno semiconductor lattice structure results, and further analysis results are concluded.Key words: zinc oxide (ZnO); Lattice structure; First

4、 principles1 緒論1.1 研究背景當(dāng)前，人類社會已經(jīng)進(jìn)入了一個全新的信息化時代，信息的傳輸、處理、存儲等過程都是通過電子和光子來參與實現(xiàn)的，光電子在信息技術(shù)領(lǐng)域中起到了舉足輕重的作用。上個世紀(jì)，人們制備出了紅外發(fā)光二極管LED和LD，實現(xiàn)了光通信和光信息處理。隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對于信息技術(shù)的要求也越來越高，一直在不斷的研究中尋求新的技術(shù)。最近，ZnO材料由于其優(yōu)越的性能引起了人們的研究熱情。氧化鋅( ZnO) 作為一種新型的-族寬禁帶化合物半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度大（約3.37 Ev1），相比與其他的寬帶隙材料，其激子束縛能高達(dá)60 meV ，這使得ZnO在室溫下有更高效

5、率的機(jī)子發(fā)光，是一種在紫外和藍(lán)光發(fā)射方面很有前途的新型光電子材料2,3。ZnO 材料的出現(xiàn)，讓人們意識到了這種半導(dǎo)體材料在制備短波長發(fā)光器件中的研究潛力。1.2 研究內(nèi)容本論文在研究ZnO的晶體結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)的基礎(chǔ)上，分析壓力ZnO的晶體結(jié)構(gòu)的影響。首先要了解氧化鋅（ZnO）半導(dǎo)體的基本概況以及第一性原理；然后通過近算計運(yùn)用Materials Studio模擬并計算，在壓力不斷改變（030 G Pa）時與之相對應(yīng)的氧化鋅晶格常數(shù)(a b c )以及體積(P)的值。進(jìn)而分析數(shù)據(jù)，得出壓力與晶格常數(shù)的aP、bP、cP圖以及壓力與體積的VP圖。最后得出氧化鋅在壓力不斷改變的情況下其晶格結(jié)構(gòu)有怎樣變化

6、的結(jié)論。2 氧化鋅基本簡介2.1 氧化鋅（ZnO）概述氧化鋅是鋅的氧化物，難溶于水，可溶于酸和強(qiáng)堿。它是白色固體，故又稱鋅白。它能通過燃燒鋅或焙燒閃鋅礦（硫化鋅）取得。在自然中，氧化鋅是礦物紅鋅礦的主要成分。雖然人造氧化鋅有兩種制造方法：由純鋅氧化或烘燒鋅礦石而成。氧化鋅作為添加劑在多種材料和產(chǎn)品有應(yīng)用，包括塑料、陶瓷、玻璃、水泥、潤滑劑、油漆、軟膏、粘合劑、填隙材料、顏料、食品（ 補(bǔ)鋅劑）、電池、鐵氧體材料、阻燃材料和醫(yī)用急救繃帶等。氧化鋅（ZnO）是-族化合物，具有禁帶寬、激子束縛能高、無毒、原料易得、成本低、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點，被認(rèn)為是新一代的光電半導(dǎo)體材料，具有廣泛的應(yīng)用前景，已成為人

7、們近期研究的熱點之一2。ZnO屬II-VI族寬禁帶直接帶隙化合物半導(dǎo)體材料,熔點為1975 ,室溫下禁帶寬度為3. 37 eV，激子束縛能為60meV,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于室溫離解能。人們早就發(fā)現(xiàn), ZnO對于藍(lán)光、紫光、近紫外波段的光電子器件是一種極具潛力的寬帶隙光電子半導(dǎo)體材料3-4。2.2 氧化鋅（ZnO）晶體結(jié)構(gòu)ZnO晶體有三種結(jié)構(gòu)：六邊纖鋅礦結(jié)構(gòu)、立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)，以及比較罕見的氯化鈉式八面體結(jié)構(gòu)（巖鹽結(jié)構(gòu)）5，如圖2-1所示。圖2-1 ZnO的三種晶體結(jié)構(gòu)：(a)巖鹽結(jié)構(gòu)；(b)閃鋅礦結(jié)構(gòu)；(c)纖鋅礦結(jié)構(gòu)在這三種晶體結(jié)構(gòu)中，纖鋅礦結(jié)構(gòu)在三者中穩(wěn)定性最高，因而也是最常見的。立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)可由逐漸

8、在表面生成氧化鋅的方式獲得。在兩種晶體中，每個鋅或氧原子都與相鄰原子組成以其為中心的正四面體結(jié)構(gòu)，然而，八面體結(jié)構(gòu)只有在100億帕斯卡的高壓條件下才能被觀察到。纖鋅礦結(jié)構(gòu)、閃鋅礦結(jié)構(gòu)有中心對稱性，但都沒有軸對稱性。晶體的對稱性質(zhì)使得纖鋅礦結(jié)構(gòu)具有壓電效應(yīng)和焦熱點效應(yīng)，閃鋅礦結(jié)構(gòu)具有壓電效應(yīng)。6理想的氧化鋅具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)，六方對稱性，在許多生長條件下，表現(xiàn)為 n型。其晶格常數(shù)實驗值 a=b=325 Å，c=521Å，= 90°,= 120°， 其中c/a 為1.602 ,比理想的六角柱緊堆積結(jié)構(gòu)的1.633稍小。c 軸方向的Zn-O 鍵鍵長為0.1992

9、Å，其他方向的Zn-O 鍵鍵長為0.1973 Å，Zn的六角密堆積和O的六角密堆積在c 軸方向反向嵌套，Zn 原子位于四個相鄰O 原子形成的四面體間隙中，O原子的排列與Zn相似7，如圖2-2所示：圖2-2 纖鋅礦ZnO結(jié)構(gòu)示意圖3 第一性原理8一切物質(zhì)所體現(xiàn)的宏觀性質(zhì)都是由內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)決定的，即結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，亙古不變。材料在許多方面，比如力學(xué)、磁學(xué)、電學(xué)和光學(xué)等等方面表現(xiàn)的性質(zhì)都取決于材料內(nèi)部的電子結(jié)構(gòu)。由此可見，對材料電子結(jié)構(gòu)的深入了解十分重要。而通過計算模擬可以很準(zhǔn)確的了解材料電子結(jié)構(gòu)的情況，結(jié)合相關(guān)理論分析其性質(zhì)，可以用來解釋實驗現(xiàn)象、預(yù)報材料性能。因此，結(jié)構(gòu)計算的

10、重要作用不容忽視。第一性原理方法，是一種非常理想的研究方法，它從電子運(yùn)動的角度出發(fā)研究材料性能。核心思想是：將研究材料的多原子體系簡單化：主要采用原子實的概念處理多粒子體系，基于量子力學(xué)中的一些基本理論，采用的近似處理方式是“非經(jīng)驗性”近似，將研究問題簡單化。第一性原理計算方法與其他計算方法相比，有著明顯的優(yōu)勢：只是需要設(shè)定所研究體系中原子種類與個數(shù)，建立研究體系，通過量子力學(xué)的方法來分析處理所研究對象體系中的電子運(yùn)動狀態(tài)，獲得該微觀體系下的電子波函數(shù)、波函數(shù)相對應(yīng)的本征能量，就可以得到研究體系的相關(guān)性質(zhì)，例如晶胞結(jié)構(gòu)、晶胞體積等晶胞參量，或是有關(guān)光電性能的相關(guān)參數(shù)。本文的工作正是用基于密度泛

11、函理論的第一性原理計算方法。由于ZnO在光電子應(yīng)用方面具有很大發(fā)展?jié)摿Γ虼顺蔀檠芯款I(lǐng)域的熱點課題，而只有深入到微觀層次進(jìn)行細(xì)致分析研究才可能開發(fā)ZnO的應(yīng)用潛力?？茖W(xué)研究一方面是對材料物理性質(zhì)的了解，另一方面更是對材料性能的表征，而材料性能的表征需要深入到微觀層次；第一性原理恰到好處的提供了一個研究原子及電子層次的工具，研究人員可通過第一性原理計算，從微觀層次入手，不需要實驗數(shù)據(jù)，可細(xì)致科學(xué)的研究結(jié)構(gòu)、光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)的最根源信息；此外，可以按照實際情況，通過系統(tǒng)設(shè)置建立一個物理場景，模擬研究對象的實際演化過程，該計算不受實際條件的限制，其結(jié)果一方面可幫助解釋實驗中產(chǎn)生的相關(guān)現(xiàn)象；另一方面使新

12、材料的設(shè)計、新材料的性能預(yù)測工作變得方便可行。作為理論模擬工具的第一性原理模擬計算，已經(jīng)經(jīng)受住實踐檢驗，結(jié)果有效而且可靠的。ZnO摻雜體系的結(jié)構(gòu)特征和光電性能通過第一性原理理論計算，得到了非常全面的展現(xiàn)；而且一些在實驗中無法實際測量的參數(shù)也可以通過理論計算得到，進(jìn)而更有效的指導(dǎo)我們下一步的實驗工作。4 壓力對氧化鋅晶格結(jié)構(gòu)的影響4.1 計算模型壓力能有效改變物質(zhì)內(nèi)部原子間的相互作用，形成具有新結(jié)構(gòu)和新性質(zhì)的高壓新相，揭示許多新的現(xiàn)象和規(guī)律9。氧化鋅晶體有三種結(jié)構(gòu)：六邊纖鋅礦結(jié)構(gòu)、立方閃鋅構(gòu)，以及比較罕見的氯化鈉式八面體結(jié)構(gòu)。纖鋅礦結(jié)構(gòu)在三者中穩(wěn)定性最高，因而最常見。立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)可由逐漸在表面

13、生成氧化鋅的方式獲得。在兩種晶體中，每個鋅或氧原子都與相鄰原子組成以其為中心的正四面體結(jié)構(gòu)。 八面體結(jié)構(gòu)則只曾在100億帕斯卡的高壓條件下被觀察到。纖鋅礦結(jié)構(gòu)、閃鋅礦結(jié)構(gòu)有中心對稱性，但都沒有軸對稱性。晶體的對稱性質(zhì)使得纖鋅礦結(jié)構(gòu)具有壓電效應(yīng)和焦熱點效應(yīng)，閃鋅礦結(jié)構(gòu)具有壓電效應(yīng)。纖鋅礦結(jié)構(gòu)的空間群是P63mc。晶格常量中，a = 3.25 埃，c = 5.2 埃；c/a比率約為1.60，接近1.633的理想六邊形比例。在半導(dǎo)體材料中，鋅、氧多以離子鍵結(jié)合，是其壓電性高的原因之一10。本論文為了更好的得出壓力對氧化鋅半導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)影響的結(jié)果，我通過計算機(jī)模擬出氧化鋅半導(dǎo)體的兩種晶體結(jié)構(gòu)。其一是鉛

14、鋅礦結(jié)構(gòu)，如圖4-1所示，其二為巖鹽結(jié)構(gòu)，如圖4-2所示。圖4-1 鉛鋅礦結(jié)構(gòu) 圖4-2巖鹽結(jié)構(gòu)4.2 計算結(jié)果與分析晶體結(jié)構(gòu)的幾何優(yōu)化是通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)模型的幾何參數(shù)來獲得穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的過程，這種處理能使模型的結(jié)果盡可能的接近真實結(jié)構(gòu)。為了簡單研究，我通過計算機(jī)運(yùn)用Materials Studio軟件模擬并計算，以改變壓力的值，從而得到在不同壓力值下兩種結(jié)構(gòu)下的ZnO半導(dǎo)體晶格常數(shù)的值，如表格1與表格2所示是巖鹽結(jié)構(gòu)的相關(guān)數(shù)據(jù)，表格3與表格4是鉛鋅礦結(jié)構(gòu)的相關(guān)數(shù)據(jù)。再根據(jù)表格1和表格2數(shù)據(jù)筆者作出了晶格常數(shù)隨壓力變化的狀態(tài)曲線圖，如圖4-3所示，以及晶格能量隨壓力變化的狀態(tài)曲線圖，如圖4-4所示。表

15、格 1 壓力與巖鹽結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)的關(guān)系P/G Paa=b=c/ Å體積V/ Å 303.11883621.45174553.07897820.639756103.04437619.951701153.01793619.436375202.99247618.948605252.96983718.521782302.95144018.179712表格 2 壓力與巖鹽結(jié)構(gòu)晶格能量的關(guān)系P/G Pa能量E/eV0-2146.6600925135-2146.68667119210-2146.68209277115-2146.67118195320-2146.63344178925-21

16、46.58791138430-2146.546949874根據(jù)巖鹽結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)隨壓力變化的狀態(tài)曲線圖我們可以直觀的知道巖鹽結(jié)構(gòu)的ZnO的晶格常數(shù)隨壓力的增加而減小，根據(jù)巖鹽結(jié)構(gòu)晶格能量隨壓力的變化的狀態(tài)曲線圖我們可以直觀的知道巖鹽結(jié)構(gòu)的ZnO的晶格能量隨壓力的增加而增加。壓力P/G Pa圖4-3巖鹽結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)隨壓力變化的曲線圖晶格常數(shù)a=b=c/Å晶格能量E/eV壓力P/G Pa圖4-4巖鹽結(jié)構(gòu)的晶格能量隨壓力變化的狀態(tài)曲線圖同樣的我們分析鉛鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO半導(dǎo)體晶格常數(shù)與壓力的關(guān)系以及鉛鋅礦的的ZnO半導(dǎo)體晶格能量與壓力的關(guān)系，再根據(jù)表3、表4的數(shù)據(jù)可以作出晶格常數(shù)隨壓力變化

17、的狀態(tài)曲線圖，如圖4-5、4-6所示，以及晶格能量隨壓力變化的狀態(tài)曲線圖，如圖4-7所示。我們分析鉛鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO這個例子，根據(jù)鉛鋅礦結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)隨壓力變化的狀態(tài)曲線圖與鉛鋅礦結(jié)構(gòu)的晶格能量隨壓力變化的狀態(tài)曲線圖我們可以得到相同的結(jié)論：晶格常數(shù)隨壓力的增加而減小，晶格能量隨壓力的增加而增加。表格 3 壓力與鉛鋅礦結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)的關(guān)系P/G Paa=b/ Åc/ Å體積V/ Å 303.321167 5.34503751.05786653.2777645.27191849.051764103.2431195.20013747.366488153.238145 5

18、.11822346.477476203.2152725.05778545.282092253.1841485.03693544.226577303.1371335.071300 43.223096表格 4 壓力與鉛鋅礦結(jié)構(gòu)的晶格能量的關(guān)系P/G PaE/eV0-4293.9560579045 -4293.94837391610-4293.93641849115-4293.89203238220-4293.85432177425-4293.74494292030-4293.609117980壓力P/G Pa晶格常數(shù)a=b/Å圖4-5鉛鋅礦的晶格常數(shù)a=b隨壓力變化的狀態(tài)曲線圖壓力P/G

19、 Pa晶格常數(shù)C/Å圖4-6鉛鋅礦的晶格常數(shù)c隨壓力變化的狀態(tài)曲線圖壓力P/G Pa晶格能量E/eV圖4-7鉛鋅礦的晶格能量隨壓力變化的狀態(tài)曲線圖5 結(jié)語本論文通過計算機(jī)模擬兩種結(jié)構(gòu)的氧化鋅晶體，在改變壓力的條見下，分別得出了，在0 GPa、5 GPa、10 GPa、15 GPa、20 GPa、25 GPa、30 GPa時兩種氧化鋅晶體結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)以及晶格能量。我們通過結(jié)合兩種晶體結(jié)構(gòu)的變化得出了在壓力不斷增加的過程中，其晶格常數(shù)會隨之減小，晶格能量反而增加。我們通過對比兩種晶體結(jié)構(gòu)還可以知道在變化同等的壓力時不論是晶格常數(shù)還是晶格能量鉛鋅礦結(jié)構(gòu)的氧化鋅晶體都要比巖鹽結(jié)構(gòu)的氧化鋅晶體變化更大些。參考文獻(xiàn)：1 Hvam J M. Temperature-induced wavelength shift of electron-beam-pumpe