不同价态稀土元素Yb掺杂ZnO的电子结构和光学性质

刘玮洁; 孙正昊; 黄宇欣; 冷静; 崔海宁

doi:10.7498/aps.62.127101

摘要

基于密度泛函理论, 采用第一性原理平面波超软赝势法, 对六方纤锌矿结构的ZnO晶体和Yb2+, Yb3+分别掺杂ZnO晶体进行几何优化, 并在此基础上计算得到了未掺杂ZnO晶体及不同价态Yb元素掺杂ZnO体系的空间结构、能带、电子态密度及光学性质.结果表明: 掺杂后体系形成能减少, 稳定性增加, 并引入了Yb-4f杂质能级. 掺杂不同价态的Yb元素对能带结构产生了不同的影响, 并且都使体系的光学性质发生了明显变化.与纯ZnO相比, Yb2+, Yb3+ 分别掺杂ZnO体系的介电函数虚部在0.46 eV处均出现新峰, 静态介电函数明显增大, 吸收带边均红移, 并在0.91 eV处出现较强吸收峰, 对产生这一现象的原因给出了定性的讨论.

关键词:

掺杂 /
ZnO /
不同价态 /
第一性原理

Abstract

The geometrical structures, electronic structures, densities of states and optical properties of undoped ZnO, and Yb2+- and Yb3+-doped ZnO are calculated based on the first-principles density function theory pseudopotential method. The calculated results show that the system exhibits lower energy and better stability after the ytterbium incorporation, and a new localized band appears between the valance and conduct. The ytterbium with different valences has different influences on the electronic structure and optical properties. The imaginary parts of dielectric function of Yb2+- and Yb3+-doped ZnO both exhibit a new peak of 0.46 eV compared with that of undoped ZnO, Their static dielectric constants increase obviously, the absorption band edges are shifted toward the longer wavelengths, and strong absorption peaks appear at 0.91 eV. The reason for the phenomena is also discussed in this paper.

Keywords:

作者及机构信息

1.
长春工业大学基础科学学院, 长春 130012;

2.
吉林大学, 长春 130012

基金项目: 国家自然科学基金委员会与中国民航局联合资助项目(批准号: 61179055)、高等学校博士学科点专项科研基金 (批准号: 20100061110006)、吉林省教育厅"十一五"科学技术研究项目(批准号: 吉教科合字[2009]第130号)和吉林省科技发展计划(批准号: 201101092)资助的课题.

Authors and contacts

1.
School of Basic Sciences, Changchun University of Technology, Changchun 130012, China;

2.
Jilin University, Changchun 130012, China

Funds: Project supported by the Joint Fund of the National Natural Science Foundation of China and the City Aviation Administration of China (Grant No. 61179055), the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (Grant No. 20100061110006), the Research Foundation of Education Bureau of Jilin Province during the 11st Five-Year Plan Period of China (Grant No. [2009]130), and the Foundation for Development of Science and Technology of Jilin Province, China (Grant No. 201101092).

参考文献

[1]	Ozgur U, Alivov Y I, Liu C, Teke A, Reshchikov M A, Dogan S, Avrutin V, Cho S J, Morkoc H 2005 J. Appl. Phys. 98 041301
[2]	Law M, Greene L E, Johnson J C, Saykally R, Yang P D 2005 Nat. Mater. 4455
[3]	Wang Z L 2004 J. Phys.: Condens. Matter 16 R829
[4]	Makino T, Chia C H, Tuan N T, Sun H D, Segawa Y, Kawasaki M, Ohtomo A, Tamura K, Koinuma H 2000 Appl. Phys. Lett. 77 975
[5]	Wang Y S, Thomas P J, O'Brien P 2006 J. Phys. Chem. B 110 21412
[6]	Chen Y W, Liu Y C, Lu S X, Xu C S, Shao C L, Wang C, Zhang J Y, Lu Y M, Shen D Z, Fan X W 2005 J. Chem. Phys. 123 134701
[7]	Lu X C, Ji Y J, Zhao J Q, Liu L Q, Sun Z P, Dong H L 2010 Acta Phys. Sin. 59 4925 (in Chinese) [刘小村, 季燕菊, 赵俊卿, 刘立强, 孙兆鹏, 董和磊 2010 59 4925]
[8]	Singh A V, Mehra R M, Buthrath N, Wakahara A, Yoshida A 2001 J. Appl. Phys. 90 5661
[9]	Lu J G, Ye Z Z, Zhuge F, Zeng Y J, Zhao B H, Zhu L P 2004 Appl. Phys. Lett. 85 3134
[10]	Han T, Meng F Y, Zhang S, Cheng X M, Oh J I 2011 J. Appl. Phys. 110 063724
[11]	Phan D T, Farag A A M, Yakuphanoglu F, Chung G S 2012 J. Electroceram 29 12
[12]	Assadi M H N, Zheng R K, Li S, Ringer S R 2012 J. Appl. Phys. 111 113901
[13]	Mezdrogina M M, Eremenko M V, Golubenko S M, Razumov S N 2012 Phys. Solid State 54 1235
[14]	Singh T, Mountziaris T J, Maroudas D 2010 Appl. Phys. Lett. 97 073120
[15]	Xu A W, Gao Y, Liu H Q 2002 J. Catal. 207 151
[16]	Yunusova A N, Marisov M A, Semashko V V, Nurtdinova L A, Korableva S L 2012 Opt. Commun. 285 3832
[17]	Shi H X, Zhang T Y, An T C, Li B, Wang X 2012 J. Colloid Interface Sci. 380 121
[18]	Liu Y S, Luo W Q, Li R F, Liu G K, Antonio M R, Chen X Y 2008 J. Phys. Chem. C 112 686
[19]	Zeng X Y, Yuan J L, Zhang L 2008 J. Phys. Chem. C 112 3503
[20]	Mezdrogina M M, Eremenko M V, Golubenko S M, Razumov S N 2012 Phys. Solid State 54 1235
[21]	Yoon H, Wu J H, Min J H, Lee J S, Ju J S, Kim Y K 2012 J. Appl. Phys. 111 07B523
[22]	Luo L, Huang F Y, Guo G J, Tanner P A, Chen J, Tao Y T, Zhou Jun, Yuan L Y, Chen S Y, Chueh Y L, Fan H H, Li K F, Cheah K W 2012 J. Nanosci. Nanotechnol. 12 2417
[23]	Liu Y S, Luo W Q, Li R F, Zhu H M, Chen X Y 2009 Opt. Express 17 9748
[24]	Wu Y X, Hu Z X, Gu S L, Qu L C, Li T, Zhang H 2011 Acta Phys. Sin. 60 017101 (in Chinese) [吴玉喜, 胡智向, 顾书林, 渠立成, 李腾, 张昊 2011 60 017101]
[25]	Soumahoro I, Schmerber G, Douayar A, Colis S, Abd-Lefdil M, Hassanain N, Berrada A, Muller D, Slaoui A, Rinnert H, Dinia A 2011 J. Appl. Phys. 109 033708
[26]	Meng X Q, Liu C R, Wu F M, Li J B 2011 J. Colloid Interface Sci. 358 334

施引文献

[1]	Ozgur U, Alivov Y I, Liu C, Teke A, Reshchikov M A, Dogan S, Avrutin V, Cho S J, Morkoc H 2005 J. Appl. Phys. 98 041301
[2]	Law M, Greene L E, Johnson J C, Saykally R, Yang P D 2005 Nat. Mater. 4455
[3]	Wang Z L 2004 J. Phys.: Condens. Matter 16 R829
[4]	Makino T, Chia C H, Tuan N T, Sun H D, Segawa Y, Kawasaki M, Ohtomo A, Tamura K, Koinuma H 2000 Appl. Phys. Lett. 77 975
[5]	Wang Y S, Thomas P J, O'Brien P 2006 J. Phys. Chem. B 110 21412
[6]	Chen Y W, Liu Y C, Lu S X, Xu C S, Shao C L, Wang C, Zhang J Y, Lu Y M, Shen D Z, Fan X W 2005 J. Chem. Phys. 123 134701
[7]	Lu X C, Ji Y J, Zhao J Q, Liu L Q, Sun Z P, Dong H L 2010 Acta Phys. Sin. 59 4925 (in Chinese) [刘小村, 季燕菊, 赵俊卿, 刘立强, 孙兆鹏, 董和磊 2010 59 4925]
[8]	Singh A V, Mehra R M, Buthrath N, Wakahara A, Yoshida A 2001 J. Appl. Phys. 90 5661
[9]	Lu J G, Ye Z Z, Zhuge F, Zeng Y J, Zhao B H, Zhu L P 2004 Appl. Phys. Lett. 85 3134
[10]	Han T, Meng F Y, Zhang S, Cheng X M, Oh J I 2011 J. Appl. Phys. 110 063724
[11]	Phan D T, Farag A A M, Yakuphanoglu F, Chung G S 2012 J. Electroceram 29 12
[12]	Assadi M H N, Zheng R K, Li S, Ringer S R 2012 J. Appl. Phys. 111 113901
[13]	Mezdrogina M M, Eremenko M V, Golubenko S M, Razumov S N 2012 Phys. Solid State 54 1235
[14]	Singh T, Mountziaris T J, Maroudas D 2010 Appl. Phys. Lett. 97 073120
[15]	Xu A W, Gao Y, Liu H Q 2002 J. Catal. 207 151
[16]	Yunusova A N, Marisov M A, Semashko V V, Nurtdinova L A, Korableva S L 2012 Opt. Commun. 285 3832
[17]	Shi H X, Zhang T Y, An T C, Li B, Wang X 2012 J. Colloid Interface Sci. 380 121
[18]	Liu Y S, Luo W Q, Li R F, Liu G K, Antonio M R, Chen X Y 2008 J. Phys. Chem. C 112 686
[19]	Zeng X Y, Yuan J L, Zhang L 2008 J. Phys. Chem. C 112 3503
[20]	Mezdrogina M M, Eremenko M V, Golubenko S M, Razumov S N 2012 Phys. Solid State 54 1235
[21]	Yoon H, Wu J H, Min J H, Lee J S, Ju J S, Kim Y K 2012 J. Appl. Phys. 111 07B523
[22]	Luo L, Huang F Y, Guo G J, Tanner P A, Chen J, Tao Y T, Zhou Jun, Yuan L Y, Chen S Y, Chueh Y L, Fan H H, Li K F, Cheah K W 2012 J. Nanosci. Nanotechnol. 12 2417
[23]	Liu Y S, Luo W Q, Li R F, Zhu H M, Chen X Y 2009 Opt. Express 17 9748
[24]	Wu Y X, Hu Z X, Gu S L, Qu L C, Li T, Zhang H 2011 Acta Phys. Sin. 60 017101 (in Chinese) [吴玉喜, 胡智向, 顾书林, 渠立成, 李腾, 张昊 2011 60 017101]
[25]	Soumahoro I, Schmerber G, Douayar A, Colis S, Abd-Lefdil M, Hassanain N, Berrada A, Muller D, Slaoui A, Rinnert H, Dinia A 2011 J. Appl. Phys. 109 033708
[26]	Meng X Q, Liu C R, Wu F M, Li J B 2011 J. Colloid Interface Sci. 358 334

[1]	张丽丽, 夏桐, 刘桂安, 雷博程, 赵旭才, 王少霞, 黄以能. 第一性原理方法研究N-Pr共掺杂ZnO的电子结构和光学性质. , 2019, 68(1): 017401. doi: 10.7498/aps.68.20181531
[2]	黄炳铨, 周铁戈, 吴道雄, 张召富, 李百奎. 空位及氮掺杂二维ZnO单层材料性质:第一性原理计算与分子轨道分析. , 2019, 68(24): 246301. doi: 10.7498/aps.68.20191258
[3]	郭家俊, 董静雨, 康鑫, 陈伟, 赵旭. 过渡金属元素X(X=Mn,Fe,Co,Ni)掺杂对ZnO基阻变存储器性能的影响. , 2018, 67(6): 063101. doi: 10.7498/aps.67.20172459
[4]	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
[5]	侯清玉, 李勇, 赵春旺. Al掺杂和空位对ZnO磁性影响的第一性原理研究. , 2017, 66(6): 067202. doi: 10.7498/aps.66.067202
[6]	唐欣月, 高红, 潘思明, 孙鉴波, 姚秀伟, 张喜田. 单根In掺杂ZnO纳米带场效应管的电学性质. , 2014, 63(19): 197302. doi: 10.7498/aps.63.197302
[7]	李泓霖, 张仲, 吕英波, 黄金昭, 张英, 刘如喜. 第一性原理研究稀土掺杂ZnO结构的光电性质. , 2013, 62(4): 047101. doi: 10.7498/aps.62.047101
[8]	鲍善永, 董武军, 徐兴, 栾田宝, 李杰, 张庆瑜. 氧分压对Mg掺杂ZnO薄膜结晶质量和光学特性的影响. , 2011, 60(3): 036804. doi: 10.7498/aps.60.036804
[9]	张富春, 张威虎, 董军堂, 张志勇. Cr掺杂ZnO纳米线的电子结构和磁性. , 2011, 60(12): 127503. doi: 10.7498/aps.60.127503
[10]	袁娣, 黄多辉, 罗华峰, 王藩侯. Li, N双受主共掺杂实现p型ZnO的第一性原理研究. , 2010, 59(9): 6457-6465. doi: 10.7498/aps.59.6457
[11]	严国清, 谢凯旋, 莫仲荣, 路忠林, 邹文琴, 王申, 岳凤娟, 吴镝, 张凤鸣, 都有为. 共沉淀法制备Co掺杂ZnO的室温铁磁性的研究. , 2009, 58(2): 1237-1241. doi: 10.7498/aps.58.1237
[12]	胡志刚, 段满益, 徐明, 周勋, 陈青云, 董成军, 令狐荣锋. Fe和Ni共掺杂ZnO的电子结构和光学性质. , 2009, 58(2): 1166-1172. doi: 10.7498/aps.58.1166
[13]	关丽, 李强, 赵庆勋, 郭建新, 周阳, 金利涛, 耿波, 刘保亭. Al和Ni共掺ZnO光学性质的第一性原理研究. , 2009, 58(8): 5624-5631. doi: 10.7498/aps.58.5624
[14]	羊新胜, 赵勇. 铁磁性锰氧化物掺杂的ZnO压敏电阻性能研究. , 2008, 57(5): 3188-3192. doi: 10.7498/aps.57.3188
[15]	段满益, 徐明, 周海平, 陈青云, 胡志刚, 董成军. 碳掺杂ZnO的电子结构和光学性质. , 2008, 57(10): 6520-6525. doi: 10.7498/aps.57.6520
[16]	于宙, 李祥, 龙雪, 程兴旺, 王晶云, 刘颖, 曹茂盛, 王富耻. Mn掺杂ZnO稀磁半导体材料的制备和磁性研究. , 2008, 57(7): 4539-4544. doi: 10.7498/aps.57.4539
[17]	毕艳军, 郭志友, 孙慧卿, 林竹, 董玉成. Co和Mn共掺杂ZnO电子结构和光学性质的第一性原理研究. , 2008, 57(12): 7800-7805. doi: 10.7498/aps.57.7800
[18]	沈益斌, 周勋, 徐明, 丁迎春, 段满益, 令狐荣锋, 祝文军. 过渡金属掺杂ZnO的电子结构和光学性质. , 2007, 56(6): 3440-3445. doi: 10.7498/aps.56.3440
[19]	段满益, 徐明, 周海平, 沈益斌, 陈青云, 丁迎春, 祝文军. 过渡金属与氮共掺杂ZnO电子结构和光学性质的第一性原理研究. , 2007, 56(9): 5359-5365. doi: 10.7498/aps.56.5359
[20]	刘学超, 施尔畏, 宋力昕, 张华伟, 陈之战. 固相反应法制备Co掺杂ZnO的磁性和光学性能研究. , 2006, 55(5): 2557-2561. doi: 10.7498/aps.55.2557

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