Fe, S共掺杂SnO2材料第一性原理分析

逯瑶; 王培吉; 张昌文; 冯现徉; 蒋雷; 张国莲

doi:10.7498/aps.61.023101

摘要

本文采用基于第一性原理的全电势线性缀加平面波(FP-LAPW)法, 计算了Fe, S两种元素共掺杂SnO2材料的电子结构和光学性质. 结果表明: 材料仍为直接禁带半导体, 体系呈现半金属性; Fe, S共掺可以窄化带隙, 且随S浓度增加, 态密度向低能方向移动, 带隙减小; 共掺体系电荷密度重新分布, 随S浓度增加, Fe原子极化程度增强, 原子间键合能力增强. 共掺后介电函数虚部谱与光学吸收谱各峰随S浓度增加而发生红移, 光学吸收边减小.

关键词:

Abstract

Tin oxide has become one of hot points in transparent conductive materials due to its excellent electrical and optical properties. Based on the full-potential linearized augmented plane wave method (FP-LAPW), we investigate the electronic structure and the optical properties of the material Fe-S co-doped SnO2. The results show that the two co-doped compounds are all direct transition semiconductors with half-metallic properties. Fe-S co-doping can narrow the band gap, and the density of states (DOS) shifts toward the low energy with the increase of S concentration. The charge density of co-doped system is redistributed, and the degree of Fe polarization and the capacity of bonding are enhancd with the increase of S. What is more, the peaks of imaginary part of dielectric function and optical absorption are red shifted, and the absorption edge decreases with the increase of S concentration.

Keywords:

作者及机构信息

1.
济南大学物理学院, 济南 250022

基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 61172028), 山东省自然科学基金(批准号: ZR2010EL017)和济南大学博士基金(批准号: xbs1043)资助的课题.

Authors and contacts

1.
School of Physics, University of Jinan, Jinan 250022, China

Funds: Project supported by the National National Science Foundation of China (Grant No. 61172028), the Natural Science Foundation of Shandong Province, China (Grant No. ZR2010EL017). and the Doctor Foundation of University of Jinan ( Grant No.xbs1043).

参考文献

[1]	Chopra K L, Major S, Pandya D K 1983 Thin Solid Films 102 1
[2]	Dolbec R, El Khakani M A, Serventi A M, Trudeau M , Saint- Jacques R G 2002 Thin Solid Films 419 230
[3]	Aukkaravittayapun S, Wongtida N, Kasecwatin T, Charojrochkul S, Unnanon K, Chindaudom K 2006 Thin Solid Films 496 117
[4]	Ji Z G, He Z J, Song Y L 2004 Acta Phys. Sin. 53 4330 (in Chinese) [季振国, 何振杰, 宋永梁 2004 53 4330]
[5]	Jin Z G, Fan G, Zhang D F, Song Q L 2007 Southern Metals 10 5 (in Chinese) [荆忠国, 樊刚, 张德丰, 宋群玲 2007 南方金属 10 5]
[6]	Yamamoto T, Yoshida H K 1999 Jpn. J. Appl. Phys. Part2 38 166
[7]	Yamamoto T, Katayama Y H 2001 Physica B 302 155
[8]	Wei F Y, Zeng L H, Shi B, Cui P, Peng S C 2008 Journal of The Chinese Ceramic Society 36 1272 (in Chinese) [魏凤玉, 曾华灵, 师彬, 崔鹏, 彭书传 2008 硅酸盐学报 36 1272]
[9]	Qin B 2005 J. of Yunnan University (Sci. and Tech.) 21 958 (in Chinese) [秦邦宏 2005 云南大学学报 (自然科学版) 21 958]
[10]	Gu J J, Liu L H, Qi Y K, Xu Q, Zhang H F, Sun H Y 2011 J. Appl. Phys. 109 023902
[11]	Hu Z G, Duan M Y, Xu M, Zhou X, Chen Q Y, Dong C J, Linghu R F 2009 Acta Phys. Sin. 58 1166 (in Chinese) [胡志刚, 段满益, 徐明, 周勋, 陈青云, 董成军, 令狐荣锋 2009 58 1166]
[12]	Wei F Y, Zhu T 2007 Applied Chemical Industry 36 421 (in Chinese) [魏凤玉, 祝童 2007 应用化工 36 421]
[13]	Zhao H F, Cao Q X, Li J T 2008 Acta Phys. Sin. 57 5828(in Chinese) [赵慧芳, 曹全喜, 李建涛 2008 57 5828]
[14]	Chen K, Fan G H, Zhang Y, Ding S F 2008 Acta Phys. Sin. 57 3138 (in Chinese) [陈琨, 范广涵, 章勇, 丁少锋 2008 57 3138]
[15]	Wei F Y, Zeng L H, Shi B, Cui P, Peng S C 2008 Journal of The Chinese Ceramic Society 36 1272 (in Chinese) [魏凤玉, 曾华灵, 师彬, 崔鹏, 彭书传 2008 硅酸盐学报 36 1272]
[16]	Lu Y, Wang P J, Zhang C W, Feng X Y, Jiang L, Zhang G L 2011 Acta Phys. Sin. (in Chinese) [逯瑶, 王培吉, 张昌文, 冯现徉, 蒋雷, 张国莲 2011 ]
[17]	Karlheinz Schwarz 2003 Journal of Solid State Chemistry 176 319
[18]	Schwarz K, Blaha P, Madsen G K H 2002 Comput. Phys. Commun. 147 71
[19]	Thangaraju B 2002 Thin Solid Films 402 71
[20]	Hazen R M, Finger L W 1981 J. Phys. Chem. Solid 42 143
[21]	Bolzan A A, Fong C, Kennedy B J, Howard C J 1997 Acta Cryst B 53 373
[22]	Yu F, Wang P J, Zhang C W 2009 J. of Jinan University (Sci. and Tech.) 23 414 (in Chinese) [于峰, 王培吉, 张昌文 2009 济南大学学报 23 414]
[23]	Zheng Y,Liu Z Y, Dou F Q, Wang J H 2008 Electrical Materials 4 9 (in Chinese) [郑翼, 刘志勇, 窦富起, 王吉会 2008 电工材料 4 9]
[24]	Duan M Y, Xu M , Zhou H P, Chen Q Y, Hu Z G, Dong C J 2008 Acta Phys. Sin. 57 6520 (in Chinese) [段满益, 徐明, 周海平, 陈青云, 胡志刚, 董成军 2008 57 6520]
[25]	Zuo C Y, Wen J, Bai Y L 2010 Chin. Phys. B 19 047101
[26]	Zhang F Y, You J Q, Zeng Z, Zhong G H 2007 Chin. Phys. 16 3815

施引文献

[1]	Chopra K L, Major S, Pandya D K 1983 Thin Solid Films 102 1
[2]	Dolbec R, El Khakani M A, Serventi A M, Trudeau M , Saint- Jacques R G 2002 Thin Solid Films 419 230
[3]	Aukkaravittayapun S, Wongtida N, Kasecwatin T, Charojrochkul S, Unnanon K, Chindaudom K 2006 Thin Solid Films 496 117
[4]	Ji Z G, He Z J, Song Y L 2004 Acta Phys. Sin. 53 4330 (in Chinese) [季振国, 何振杰, 宋永梁 2004 53 4330]
[5]	Jin Z G, Fan G, Zhang D F, Song Q L 2007 Southern Metals 10 5 (in Chinese) [荆忠国, 樊刚, 张德丰, 宋群玲 2007 南方金属 10 5]
[6]	Yamamoto T, Yoshida H K 1999 Jpn. J. Appl. Phys. Part2 38 166
[7]	Yamamoto T, Katayama Y H 2001 Physica B 302 155
[8]	Wei F Y, Zeng L H, Shi B, Cui P, Peng S C 2008 Journal of The Chinese Ceramic Society 36 1272 (in Chinese) [魏凤玉, 曾华灵, 师彬, 崔鹏, 彭书传 2008 硅酸盐学报 36 1272]
[9]	Qin B 2005 J. of Yunnan University (Sci. and Tech.) 21 958 (in Chinese) [秦邦宏 2005 云南大学学报 (自然科学版) 21 958]
[10]	Gu J J, Liu L H, Qi Y K, Xu Q, Zhang H F, Sun H Y 2011 J. Appl. Phys. 109 023902
[11]	Hu Z G, Duan M Y, Xu M, Zhou X, Chen Q Y, Dong C J, Linghu R F 2009 Acta Phys. Sin. 58 1166 (in Chinese) [胡志刚, 段满益, 徐明, 周勋, 陈青云, 董成军, 令狐荣锋 2009 58 1166]
[12]	Wei F Y, Zhu T 2007 Applied Chemical Industry 36 421 (in Chinese) [魏凤玉, 祝童 2007 应用化工 36 421]
[13]	Zhao H F, Cao Q X, Li J T 2008 Acta Phys. Sin. 57 5828(in Chinese) [赵慧芳, 曹全喜, 李建涛 2008 57 5828]
[14]	Chen K, Fan G H, Zhang Y, Ding S F 2008 Acta Phys. Sin. 57 3138 (in Chinese) [陈琨, 范广涵, 章勇, 丁少锋 2008 57 3138]
[15]	Wei F Y, Zeng L H, Shi B, Cui P, Peng S C 2008 Journal of The Chinese Ceramic Society 36 1272 (in Chinese) [魏凤玉, 曾华灵, 师彬, 崔鹏, 彭书传 2008 硅酸盐学报 36 1272]
[16]	Lu Y, Wang P J, Zhang C W, Feng X Y, Jiang L, Zhang G L 2011 Acta Phys. Sin. (in Chinese) [逯瑶, 王培吉, 张昌文, 冯现徉, 蒋雷, 张国莲 2011 ]
[17]	Karlheinz Schwarz 2003 Journal of Solid State Chemistry 176 319
[18]	Schwarz K, Blaha P, Madsen G K H 2002 Comput. Phys. Commun. 147 71
[19]	Thangaraju B 2002 Thin Solid Films 402 71
[20]	Hazen R M, Finger L W 1981 J. Phys. Chem. Solid 42 143
[21]	Bolzan A A, Fong C, Kennedy B J, Howard C J 1997 Acta Cryst B 53 373
[22]	Yu F, Wang P J, Zhang C W 2009 J. of Jinan University (Sci. and Tech.) 23 414 (in Chinese) [于峰, 王培吉, 张昌文 2009 济南大学学报 23 414]
[23]	Zheng Y,Liu Z Y, Dou F Q, Wang J H 2008 Electrical Materials 4 9 (in Chinese) [郑翼, 刘志勇, 窦富起, 王吉会 2008 电工材料 4 9]
[24]	Duan M Y, Xu M , Zhou H P, Chen Q Y, Hu Z G, Dong C J 2008 Acta Phys. Sin. 57 6520 (in Chinese) [段满益, 徐明, 周海平, 陈青云, 胡志刚, 董成军 2008 57 6520]
[25]	Zuo C Y, Wen J, Bai Y L 2010 Chin. Phys. B 19 047101
[26]	Zhang F Y, You J Q, Zeng Z, Zhong G H 2007 Chin. Phys. 16 3815

[1]	徐大庆, 赵子涵, 李培咸, 王超, 张岩, 刘树林, 童军. 不同价态Mn掺杂InN电子结构、磁学和光学性质的第一性原理研究. , 2018, 67(8): 087501. doi: 10.7498/aps.67.20172504
[2]	刘欢, 李公平, 许楠楠, 林俏露, 杨磊, 王苍龙. Cu离子注入单晶TiO2微结构及光学性质的模拟研究. , 2016, 65(20): 206102. doi: 10.7498/aps.65.206102
[3]	胡永金, 吴云沛, 刘国营, 罗时军, 何开华. ZnTe结构相变、电子结构和光学性质的研究. , 2015, 64(22): 227802. doi: 10.7498/aps.64.227802
[4]	李建华, 崔元顺, 曾祥华, 陈贵宾. ZnS结构相变、电子结构和光学性质的研究. , 2013, 62(7): 077102. doi: 10.7498/aps.62.077102
[5]	陈懂, 肖河阳, 加伟, 陈虹, 周和根, 李奕, 丁开宁, 章永凡. 半导体材料AAl2C4(A=Zn, Cd, Hg; C=S, Se)的电子结构和光学性质. , 2012, 61(12): 127103. doi: 10.7498/aps.61.127103
[6]	段永华, 孙勇. (α, β , γ)-Nb5Si3电子结构和光学性质研究. , 2012, 61(21): 217101. doi: 10.7498/aps.61.217101
[7]	冯现徉, 逯瑶, 蒋雷, 张国莲, 张昌文, 王培吉. In掺杂ZnO超晶格光学性质的研究. , 2012, 61(5): 057101. doi: 10.7498/aps.61.057101
[8]	余本海, 刘墨林, 陈东. 第一性原理研究Mg2 Si同质异相体的结构、电子结构和弹性性质. , 2011, 60(8): 087105. doi: 10.7498/aps.60.087105
[9]	蒋雷, 王培吉, 张昌文, 冯现徉, 逯瑶, 张国莲. 超晶格SnO2掺Cr的电子结构和光学性质的研究. , 2011, 60(9): 093101. doi: 10.7498/aps.60.093101
[10]	逯瑶, 王培吉, 张昌文, 冯现徉, 蒋雷, 张国莲. 第一性原理研究Fe掺杂SnO2材料的光电性质. , 2011, 60(11): 113101. doi: 10.7498/aps.60.113101
[11]	逯瑶, 王培吉, 张昌文, 蒋雷, 张国莲, 宋朋. 第一性原理研究In,N共掺杂SnO2材料的光电性质. , 2011, 60(6): 063103. doi: 10.7498/aps.60.063103
[12]	于峰, 王培吉, 张昌文. Al掺杂SnO2 材料电子结构和光学性质. , 2011, 60(2): 023101. doi: 10.7498/aps.60.023101
[13]	于峰, 王培吉, 张昌文. N掺杂SnO2材料光电性质的第一性原理研究. , 2010, 59(10): 7285-7290. doi: 10.7498/aps.59.7285
[14]	刘建军. 掺Ga对ZnO电子态密度和光学性质的影响. , 2010, 59(9): 6466-6472. doi: 10.7498/aps.59.6466
[15]	孔祥兰, 侯芹英, 苏希玉, 齐延华, 支晓芬. Ba0.5Sr0.5TiO3电子结构和光学性质的第一性原理研究. , 2009, 58(6): 4128-4131. doi: 10.7498/aps.58.4128
[16]	邢海英, 范广涵, 赵德刚, 何苗, 章勇, 周天明. Mn掺杂GaN电子结构和光学性质研究. , 2008, 57(10): 6513-6519. doi: 10.7498/aps.57.6513
[17]	关丽, 刘保亭, 李旭, 赵庆勋, 王英龙, 郭建新, 王书彪. 萤石结构TiO2的电子结构和光学性质. , 2008, 57(1): 482-487. doi: 10.7498/aps.57.482
[18]	季正华, 曾祥华, 胡永金, 谭明秋. 高压下ZnSe的电子结构和光学性质. , 2008, 57(6): 3753-3759. doi: 10.7498/aps.57.3753
[19]	胡永金, 崔磊, 赵江, 滕玉永, 曾祥华, 谭明秋. 高压下ZnS的电子结构和性质. , 2007, 56(7): 4079-4084. doi: 10.7498/aps.56.4079
[20]	潘洪哲, 徐明, 祝文军, 周海平. β-Si3N4电子结构和光学性质的第一性原理研究. , 2006, 55(7): 3585-3589. doi: 10.7498/aps.55.3585

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