基于第一性原理的ZnO材料的计算机模拟计算

基于第一性原理的ZnO材料的计算机模拟计算

论文摘要

本文首先阐述了在现有的发达的网络及信息资源之下应该如何进行一个完整的材料设计及计算分析的全部过程。设计的目标是围绕半导体材料ZnO的特性——光学属性、电子结构及掺杂后的电子结构对比分析。本文中着重分析比较了Materials studio, VASP, Materials Explorer等材料计算软件的功能原理、应用范围及优缺点分析。选择出适合目标计算的软件——Materials studio。本文接下来对ZnO的特性及其掺杂机理进行研究,为利用软件进行材料分析模拟打下理论基础。首先熟悉了ZnO在气敏特性、光性能、化学性能、半导体性能方面的具体应用,接下来对其制备方法有了一定的了解。最后对ZnO本征缺陷进行了详细的分析,并对n型掺杂和p型掺杂做了详细讨论。同时介绍了不同类型的掺杂元素在ZnO的n型及p型掺杂中的效果以及实验室的一般的制备方法和实现的难易程度。在对p型掺杂各种方法熟悉之后,结合实验制备方法的实现,引入了共掺杂理论,在此理论基础上预测了几种N、Ga的共掺杂结构。本文中的计算利用的是Materials studio软件中的CASTEP模块基于密度泛函理论的广义梯度近似算法(GGA)。采用基于第一性原理的超软赝势方法,首先进行了ZnO的光学属性的计算。利用计算结果和实验数据进行对比判断出了利用软件模拟计算的正确性,并且分析计算产生误差的原因。用同样的方法,先对纯净的ZnO的电子结构进行计算,先判断软件计算的准确性,进一步再进行掺杂结构的计算。在软件中建立通过理论预测得到的几种N、Ga共掺杂结构,并再次通过CASTEP进行第一性原理计算,对得到的能带图、态密度图进行分析比对,并结合纯净的ZnO的电子结构,筛选出最优秀的p型ZnO共掺杂结构。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 计算机材料设计的现状以及发展
  • 1.2 我国的材料计算机设计方面的研究进展
  • 第二章 软件分析比较与选择
  • 2.1 近期出现的国内外优秀的材料设计方面的软件
  • 2.1.1 Materials studio
  • 2.1.2 VASP
  • 2.1.3 Materials Explorer 软件
  • 2.1.4 总结
  • 2.2 材料模拟计算的设计流程及步骤
  • 2.3 材料的第一性原理计算理论
  • 第三章 ZnO 的特性及其掺杂机理的研究
  • 3.1 ZnO 的特性
  • 3.2 ZnO 的具体应用
  • 3.2.1 气敏特性的应用
  • 3.2.2 光性能的应用
  • 3.2.3 化学性能的应用
  • 3.2.4 半导体性能的应用
  • 3.3 ZnO 薄膜的制备方法
  • 3.3.1 磁控溅射技术
  • 3.3.2 脉冲激光沉积法
  • 3.3.3 分子束外延法
  • 3.3.4 化学气相沉积法
  • 3.4 ZnO 材料中的本征缺陷
  • 3.5 ZnO 的n 型掺杂
  • 3.5.1 III 族元素掺杂
  • 3.5.2 IV 族元素掺杂
  • 3.5.3 VII 族元素的掺杂
  • 3.6 ZnO 的p 型掺杂的详细讨论
  • 3.6.1 本征p 型ZnO
  • 3.6.2 I 族元素的p 型掺杂
  • 3.6.3 V 族元素的p 型掺杂
  • 3.7 不同元素的p 型单掺杂
  • 3.7.1 仅掺杂N
  • 3.7.2 P、As 的掺杂
  • 3.7.3 H 辅助掺杂技术
  • 3.8 共掺杂技术
  • 3.8.1 N-Ga 共掺杂
  • 3.8.2 N-In 共掺杂
  • 3.8.3 N-Al 共掺杂
  • 第四章 ZnO 的第一性原理计算
  • 4.1 纯净的ZnO 光学属性的计算
  • 4.1.1 晶体光学属性计算的理论基础
  • 4.2 软件计算光学属性的步骤及其方法
  • 4.3 ZnO 的光学属性的计算
  • 4.3.1 ZnO 能量损失函数
  • 4.3.2 ZnO 的折射率和消光率图谱
  • 4.3.3 ZnO 的反射光谱
  • 4.3.4 ZnO 的介电函数图谱
  • 4.4 掺杂后的ZnO 光学属性比较
  • 4.4.1 ZnO 三种结构的功损失函数 Loss Function
  • 4.4.2 ZnO 三种结构的折射率和消光率图谱
  • 4.4.3 ZnO 三种结构的反射率图谱
  • 4.4.4 ZnO 三种结构的介电函数图谱
  • 4.5 总结
  • 第五章 计算机材料设计:ZnO 的掺杂结构的建立及比较
  • 5.1 模型的选定
  • 5.2 计算的设定及相关理论
  • 5.3 ZnO 共掺杂计算结果分析
  • 5.3.1 能带图的分析
  • 5.3.2 态密度图的分析
  • 5.4 结论
  • 结论
  • 致谢
  • 参考文献
  • 作者研究生期间的研究成果
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