【摘要】：氧化鋅本身禁帶寬度為3.37 eV,激子結合能高達60 meV,且原料豐富,價格低廉,ZnO薄膜具有良好的透明導電性、壓電性、光電性、氣敏性、壓敏性等優(yōu)異的性質使其在各行各業(yè)具有了廣泛的用途。而納米級別的氧化鋅是一種新型高功能精細產品,因其具有一些納米效應而在許多領域都有重要的應用。近年來,圍繞ZnO透明增透薄膜的研究在各個領域充分展開,尤其是關于不同元素的摻雜,但是大多集中在宏觀尺度�？紤]到納米薄膜在制備上存在一定的難度,因此氧化鋅納米薄膜的應用受到一定的限制。為了對氧化鋅納米薄膜甚至是摻雜后的薄膜的性質有所了解,因此本文中主要是應用密度泛函理論的計算方法,從原子層次上通過控制氧化鋅薄膜的尺寸在納米厚度,來探討不同元素摻雜對薄膜性質的影響,以期為氧化鋅薄膜在光電器件上的發(fā)展提供理論指導和預測。隨后在結構上選擇搭配以本身體積較小的光子晶體結構來探索其性質的變化,即結合基于傳輸矩陣法的Translight軟件,設計了B摻雜的氧化鋅納米薄膜和硅組合構建的一維光子晶體多層膜結構,并通過參數(shù)(周期層數(shù)、單胞參數(shù)和填充比)的改變來探討不同參數(shù)設置對帶隙的影響規(guī)律。計算結果如下:(1)搭建的氧化鋅(0001)納米薄膜4層結構為一個周期。通過從4層到24層表面結構的優(yōu)化分析,當層數(shù)達到12層時其表面能已經(jīng)達到了一個足夠穩(wěn)定的狀態(tài)�；谖�(A)、反射率(R)和透射率(T)的關系,即R+A+T=1,可以得出這樣的結論:透射率與反射率和吸收系數(shù)成反比。而ZnO納米薄膜的吸收和反射率均要比塊體相對較低。因此,薄膜的透射率要高于塊體,尤其是對于12層結構。(2)在對12層結構進行摻雜不同元素(Al、B、Si、Ti)以后,以同樣的方法進行數(shù)據(jù)的整理和分析,發(fā)現(xiàn)不同元素的摻雜對光學性質的影響規(guī)律是不一樣的。首先四種不同元素替換鋅以后所得的結合能均為負值,表示替換后的體系均能夠穩(wěn)定存在。其次在可見光范圍內,Al和B摻雜的ZnO納米薄膜可以降低材料的吸收系數(shù),有被用作增透膜的潛力�？偟膩砜磁饟诫s所得氧化鋅納米薄膜透射系數(shù)最大,其導電性也要優(yōu)于塊體結構,這完全符合透明導電增透膜的要求。(3)將B摻雜的氧化鋅納米薄膜和硅組合成為一維光子晶體多層膜結構,并觀察不同單胞參數(shù)、周期層數(shù)以及填充比對帶隙的影響。結果表明:就周期層數(shù)來看,當大于等于8后,帶隙的反射率幾乎已經(jīng)達到100%。因此在后續(xù)計算中我們選取周期數(shù)N=8。在其他參數(shù)一致的情況下,單胞參數(shù)的增大導致光子帶隙的寬度在明顯增寬,且其中心波長的位置向長波段方向移動,為了使帶隙盡可能覆蓋可見光波段,選取單胞參數(shù)為100 nm。隨著填充比增大,光子帶隙的中心波長同樣向長波長方向移動,并且?guī)兜膶挾冉?jīng)歷了一個先變寬后變窄的變化,因此一定要在保證帶隙的寬度以及所在波段的情況下選擇合適的填充比,這里選擇0.4。在這些參數(shù)下得到的結構所得禁帶增寬到幾乎可以覆蓋整個可見光波段(421.65-728.40 nm)。
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.2;O734

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