第一性原理研究Fe掺杂SnO2材料的光电性质

逯瑶; 王培吉; 张昌文; 冯现徉; 蒋雷; 张国莲

doi:10.7498/aps.60.113101

摘要

采用基于第一性原理的线性缀加平面波(FP-LAPW)方法,研究Fe掺杂SnO2材料电子结构和光学性质,包括电子态密度、能带结构、介电函数和其他一些光学图谱. 研究结果表明,掺Fe后材料均属于直接跃迁半导体,且呈现半金属性;随掺杂浓度增加,费米能级进入价带,带隙逐渐减小,Fe原子之间耦合作用增强;通过掺杂能够在一定程度上改变成键性质,使其具有金属键性质. 光学谱线(吸收谱、消光系数等)与介电函数虚部谱线相对应,均发生蓝移,各峰值与电子跃迁吸收有关,从理论上指出光学性质和电子结构的内在联系.

关键词:

Abstract

By the full-potential linearized augmented plane wave method (FP-LAPW), we investigate the electronic structures and optical properties of Fe-doped SnO2 system, including the density of states (DOS), band structure, dielectric function and other optical spectra. The calculation indicates that the Fe doped materials are all direct transition semiconductors with half-metallic property. With the increase of Fe-doping concentration, the Fermi level goes into valence band gradually, and the band gap reduces with the coupling of Fe atoms increasing. Moreover, impurity can change the property of the bond formation to some extent, and make it have metallic bond characteristic. Furthermore, we find that the optical spectrum (such as absorption spectrum), extinction coefficient, etc are blue shifted, corresponding to the imaginary part of dielectric function. The peaks are related to the transition of electrons, which indicates internal relationship between the electronic structures and optical properties theoretically.

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

参考文献

[1]	Wang P W, Shan X D, Zhang X Z, Yu D P 2008 Chin. Electr. Microsc. Soc. 27 261 (in Chinese)[王朋伟、单旭东、章新政、余大鹏 2008 电子显微学报 27 261]
[2]	Zhang Z G 2008 Acta Phys. Sin. 57 5823 (in Chinese)[张志国 2008 57 5823]
[3]	Du J, Ji Z G 2007 Acta Phys. Sin. 56 2388 (in Chinese)[杜娟、季振国 2007 56 2388]
[4]	Yu F, Wang P J, Zhang C W 2011 Acta Phys. Sin. 60 023101[于峰、王培吉、张昌文 2010 60 023101]
[5]	Yu F, Wang P J, Zhang C W 2010 Acta Phys. Sin. 59 7285[于峰、王培吉、张昌文 2010 59 7285]
[6]	Barbarat Ph, Matar S F, Blevennec G L 1997 Mater. Chem. 7 2547
[7]	Jochan J, Varghese M, Abraham K E 2007 Chin. J. Phy. 45 84
[8]	Shanthi E, Banerjee A, Dutta V, Chopra K L 1982 J. Appl. Phys. 53 1615
[9]	Kaplan L, Ben Shalom A, Boxman R L, Goldsmith S, Rosenberg U, Nathan M 1994 Thin Solid Films 253 1
[10]	Zhang Y 2005 MS Thesis (Wuhan: Huazhong University of Science and Technology) (in Chinese)[张勇2005 硕士学位论文 (武汉:华中科技大学)]
[11]	Wimmer E, Krakauer H, Weinert M, Freeman A J 1980 Phys. Rev. B 24 864
[12]	Chen S H, Fu C, Fu Y W 2006 Comp. and Appl. Chem. 23 983 (in Chinese)[陈书鸿、付川、傅杨武 2006 计算机与应用化学 23 983]
[13]	Zhang Y, Tang C Q, Dai J 2005 Acta Phy. Sin. 54 323 (in Chinese)[张勇、唐超群、戴君 2005 54 323]
[14]	Debernardi A, Fanciulli M 2007 Physica B 401 451
[15]	Zuo C Y,Wen J,Bai Y L 2010 Chin. Phys. B 19 047101
[16]	Zhang F Y, You J Q, Zeng Z, Zhong G H 2007 Chin. Phys. 16 3815
[17]	Shi S L, Liu Y G, Zhang J Y, Wang T H 2009 Chin. Phys. B 18 4564
[18]	Yu F, Wang P J, Zhang C W 2009 J. 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]
[19]	Hazen R M, Finger L W 1981 J. Phys. Chem. Solid 42 143
[20]	Bolzan A A, Fong C, Kennedy B J, Howard C J 1997 Acta Cryst B 53 373
[21]	Qin G Q, Li D C, Feng Z J, Liu S M 2009 Thin Solid Films 517 3345
[22]	Yu L, Zheng G, He K H, Zeng Z L, Chen Q L, Wang Q B 2010 Acta Phys. Chim. Sin. 26 763(in Chinese)[喻力、郑广、何开华、曾中良、陈琦丽、王清波 2010 物理化学学报 26 763]
[23]	Li W, Zhang Y F, Li Y, Chen Y, Li J J 2006 Acta Phys. Chim. Sin. 22 76(in Chinese)[林伟、章永凡、李奕、陈勇、李俊篯 2006 物理化学学报 22 76]
[24]	Du Y P, Chen J C, Feng J 2009 Acta Phys. Chim. Sin. 25 278(in Chinese)[杜晔平、陈敬超、冯晶 2009 物理化学学报 25 278]
[25]	Tang X, Lv H F, Ma C Y, Zhao J H, Zhang Q Y 2008 Acta Phys. Sin. 57 1067 (in Chinese)[唐鑫、吕海峰、马春雨、赵纪军、张庆瑜 2008 57 1067]
[26]	Wei S H, Zunger A 1988 Phys. Rev. B 37 8958
[27]	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]

施引文献

[1]	Wang P W, Shan X D, Zhang X Z, Yu D P 2008 Chin. Electr. Microsc. Soc. 27 261 (in Chinese)[王朋伟、单旭东、章新政、余大鹏 2008 电子显微学报 27 261]
[2]	Zhang Z G 2008 Acta Phys. Sin. 57 5823 (in Chinese)[张志国 2008 57 5823]
[3]	Du J, Ji Z G 2007 Acta Phys. Sin. 56 2388 (in Chinese)[杜娟、季振国 2007 56 2388]
[4]	Yu F, Wang P J, Zhang C W 2011 Acta Phys. Sin. 60 023101[于峰、王培吉、张昌文 2010 60 023101]
[5]	Yu F, Wang P J, Zhang C W 2010 Acta Phys. Sin. 59 7285[于峰、王培吉、张昌文 2010 59 7285]
[6]	Barbarat Ph, Matar S F, Blevennec G L 1997 Mater. Chem. 7 2547
[7]	Jochan J, Varghese M, Abraham K E 2007 Chin. J. Phy. 45 84
[8]	Shanthi E, Banerjee A, Dutta V, Chopra K L 1982 J. Appl. Phys. 53 1615
[9]	Kaplan L, Ben Shalom A, Boxman R L, Goldsmith S, Rosenberg U, Nathan M 1994 Thin Solid Films 253 1
[10]	Zhang Y 2005 MS Thesis (Wuhan: Huazhong University of Science and Technology) (in Chinese)[张勇2005 硕士学位论文 (武汉:华中科技大学)]
[11]	Wimmer E, Krakauer H, Weinert M, Freeman A J 1980 Phys. Rev. B 24 864
[12]	Chen S H, Fu C, Fu Y W 2006 Comp. and Appl. Chem. 23 983 (in Chinese)[陈书鸿、付川、傅杨武 2006 计算机与应用化学 23 983]
[13]	Zhang Y, Tang C Q, Dai J 2005 Acta Phy. Sin. 54 323 (in Chinese)[张勇、唐超群、戴君 2005 54 323]
[14]	Debernardi A, Fanciulli M 2007 Physica B 401 451
[15]	Zuo C Y,Wen J,Bai Y L 2010 Chin. Phys. B 19 047101
[16]	Zhang F Y, You J Q, Zeng Z, Zhong G H 2007 Chin. Phys. 16 3815
[17]	Shi S L, Liu Y G, Zhang J Y, Wang T H 2009 Chin. Phys. B 18 4564
[18]	Yu F, Wang P J, Zhang C W 2009 J. 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]
[19]	Hazen R M, Finger L W 1981 J. Phys. Chem. Solid 42 143
[20]	Bolzan A A, Fong C, Kennedy B J, Howard C J 1997 Acta Cryst B 53 373
[21]	Qin G Q, Li D C, Feng Z J, Liu S M 2009 Thin Solid Films 517 3345
[22]	Yu L, Zheng G, He K H, Zeng Z L, Chen Q L, Wang Q B 2010 Acta Phys. Chim. Sin. 26 763(in Chinese)[喻力、郑广、何开华、曾中良、陈琦丽、王清波 2010 物理化学学报 26 763]
[23]	Li W, Zhang Y F, Li Y, Chen Y, Li J J 2006 Acta Phys. Chim. Sin. 22 76(in Chinese)[林伟、章永凡、李奕、陈勇、李俊篯 2006 物理化学学报 22 76]
[24]	Du Y P, Chen J C, Feng J 2009 Acta Phys. Chim. Sin. 25 278(in Chinese)[杜晔平、陈敬超、冯晶 2009 物理化学学报 25 278]
[25]	Tang X, Lv H F, Ma C Y, Zhao J H, Zhang Q Y 2008 Acta Phys. Sin. 57 1067 (in Chinese)[唐鑫、吕海峰、马春雨、赵纪军、张庆瑜 2008 57 1067]
[26]	Wei S H, Zunger A 1988 Phys. Rev. B 37 8958
[27]	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]

[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]	范达志, 刘贵立, 卫琳. 扭转形变对石墨烯吸附O原子电学和光学性质影响的电子理论研究. , 2017, 66(24): 246301. doi: 10.7498/aps.66.246301
[3]	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
[4]	余本海, 陈东. 用密度泛函理论研究氮化硅新相的电子结构、光学性质和相变. , 2014, 63(4): 047101. doi: 10.7498/aps.63.047101
[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]	逯瑶, 王培吉, 张昌文, 冯现徉, 蒋雷, 张国莲. Fe, S共掺杂SnO2材料第一性原理分析. , 2012, 61(2): 023101. doi: 10.7498/aps.61.023101
[8]	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
[9]	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
[10]	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
[11]	谭兴毅, 金克新, 陈长乐, 周超超. YFe2B2电子结构的第一性原理计算. , 2010, 59(5): 3414-3417. doi: 10.7498/aps.59.3414
[12]	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
[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]	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
[15]	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
[16]	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
[17]	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
[18]	马荣, 张加宏, 杜锦丽, 刘甦, 刘楣. 新超导体MgCNi3的虚晶掺杂研究. , 2006, 55(12): 6580-6584. doi: 10.7498/aps.55.6580
[19]	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
[20]	张勇, 唐超群, 戴君. Rb2TeW3O12电子结构及光学性质的第一性原理研究. , 2005, 54(2): 868-874. doi: 10.7498/aps.54.868

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