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35960字硕士毕业论文铜掺杂氧化锌单壁纳米管电子光学性质的第一性原理研究

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:35960字
论点:纳米,掺杂,生长
论文概述:

随着纳米元器件的尺寸越来越小,在应用中,其原子结构的变化对性能的影响也越来越显著,因而在原子水平上对电子态进行分析是非常重要的。然而,当纳米结构尺寸小于 5nm 的时候,实验上

论文正文:

第一章引言

近年来,氧化锌纳米材料因其优异的光电性能而受到广泛关注。自20世纪60年代以来,氧化锌薄膜因其在传感器、变频器和催化剂方面的应用而成为一个活跃的研究领域。在过去的几十年里,特别是随着纳米技术的蓬勃发展,一维纳米材料的研究已经成为纳米技术和纳米技术的前沿领域。随着尺寸的减小,一维纳米材料由于其高的表面体积比、均匀的单晶结构和定向生长,表现出不同于块体材料的电子、机械、化学和光学性质。一维纳米材料由于其特殊和优异的性能,比块体材料具有更广阔的应用前景,因此引起了极大的研究热情。

1.1一维氧化锌纳米材料

1.1.1一维氧化锌纳米材料的制备
氧化锌在光电、传感、生物等领域有许多潜在的应用,并且储存丰富,对环境无毒。纤锌矿氧化锌缺乏中心对称性会导致大的电偶极矩,从而导致强压电和热电性能。氧化锌也是一种能隙为3.37电子伏的宽带隙半导体,这使得它在短波光电器件中有着重要的应用。氧化锌晶体具有高激子结合能(60meV),这保证了它在室温下具有有效的激子散射和紫外发光性能。关于这些性质在纳米粒子和纳米薄膜中的应用,已经有许多报道。一维纳米材料具有良好的定向电子传输特性。当电子在纳米管中传输时,它们的运动受到限制,这表现出量子限制效应。在掺杂条件下,氧化锌对可见光是透明的,并且可以实现更高的电导率。一维氧化锌纳米器件在可见光和紫外光电子领域有很大的应用前景。因此,为了获得氧化锌纳米材料的这些优异物理性能并扩展其在各个领域的各种应用,已经成功制备了大量具有不同形貌的一维氧化锌纳米结构,例如纳米线[1、纳米棒[2、纳米管[3、纳米针[4、纳米塔[5、纳米带[6、纳米钉[7、纳米皮[8、纳米分级结构
结论、纳米复合结构
通过第一性原理密度泛函理论模拟方法,研究了掺杂、界面和改变掺杂方式对铜掺杂氧化锌单壁纳米管性能的影响。通过分析原子结构、电子结构和相关性质之间的潜在关系,结合态密度图、轨道图和电荷转移等计算机模拟方法对结果进行了分析。主要结论如下:
1。掺铜氧化锌单壁碳纳米管主要以两种方式掺杂。偏置掺杂和分散掺杂。在偏置掺杂的情况下,氧化锌单壁纳米管的电子和光学性质是掺杂浓度的函数。随着掺杂浓度的增加,随着导带底部的减小,能隙逐渐减小,受体杂质的能级加深和增加,使得电子跃迁更加容易实现。随着掺杂浓度的增加,介电常数和折射率发生显著变化,从紫外区逐渐向可见光区移动,最终到达近红外区。也就是说,通过解聚掺杂和杂质浓度调节可以获得不同波长的发光性能,从而实现在不同范围内的应用。
2。在分散掺杂过程中,构建了(Zn4/6Cu2/6O)3/(Zn5/6Cu1/6O)3单壁纳米管的特殊超晶格结构。计算结果表明,超晶格的能隙值为2.16电子伏,属于窄隙半导体,满足光催化分解水所需催化剂的各项指标要求。它可以大大提高太阳能转化率,并可用作潜在的可见光水分解催化剂。同时发现能隙设计与结构有关,其中掺杂浓度的变化和内部界面的影响都是关键因素。这一新概念的引入有利于半导体能隙调制的进一步深入研究,从而实现电学和光学性质的调整,达到针对不同功能应用进一步调整性质的目的,并为我们下一步的研究指明方向。和纳米环结构
参考
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1。纳米线和纳米棒[/溴/]一维纳米结构通常可以通过气-液-固生长获得。在催化剂(如金、铁等)的作用下。)由金属液滴组成,纳米线的结构(如硅、三氧化二钒、二氧化六钒)最容易首先形成。气液固法获得一维氧化锌纳米线过程中常用的催化剂是金
2.1简介
近年来,金属氧化物氧化锌因其特殊的物理化学性质引起了广泛的研究兴趣。六方纤锌矿结构氧化锌是一种宽能隙半导体,在室温下具有较大的激子结合能。此外,氧化锌具有优异的机械性能、化学稳定性、光学和压电性能,这使得氧化锌成为人们广泛关注的半导体材料。它可用于紫外激光发射器[127、太阳能电池[128、光催化[129、场发射[55、气体传感器[130、压力纳米发生器[131、稀铁磁性半导体[132等。然而,一维氧化锌纳米结构,如纳米线和纳米管,由于其高的表面体积比、形状可控性和量子限制效应,表现出优异的性能。同时,如引言中所介绍的,一维氧化锌纳米结构[72-77]可以通过各种方法实验制备。理论上,它们的结构、热稳定性、电子和光学性质还有许多问题需要进一步研究和探讨。掺杂金属离子是调节氧化锌电子结构和光学性质,扩大其应用范围的一种非常有效的方法。据报道,掺镍氧化锌纳米线的光致发光性能得到了极大的改善,[。然而,掺杂锰离子的氧化锌表现出明显的高温铁磁性[。由于锌隙和氧空位的存在,氧化锌本身是一种氮型半导体。这极大地限制了它的应用范围。因此,实现磷型掺杂对拓展其应用领域至关重要。作为一种良好的掺杂剂,它必须具有适当的溶解度和离子能量。并且不形成DX(供体)或AX(受体)中心[136]。为了获得磷型掺杂氧化锌,伏安主族、铟和铟元素可以用作合适的掺杂杂质[137-142]。对于伏安族元素,氮具有合适的离子能量,因此可以考虑掺杂氧化锌作为磷型杂质。然而,这仅适用于缺氧条件,否则氧空缺陷将很容易发生,使得掺杂无效。对于1A族和1B族元素,掺杂在富氧条件下是有利的,因为氧化锌缺陷可以被抑制。由于离子能量低和原子直径大,1A族元素更有可能占据氧化锌中的间隙位置,这使得它们成为电子供体。与IA族元素相比,IB族元素具有相对较小的原子直径和相对较大的离子能量,因此它们也可能是p型掺杂的合适候选元素。特别是,在许多实验中,铜掺杂氧化锌被证明是一种非常优异的受体材料。。在过饱和状态下,金属液滴在确定气体反应物吸收的优先结晶成核位置中起作用。在液体反应物材料达到过饱和后,纳米线开始生长,并沿着催化剂合金保持液态的方向和有利于形成反应物的方向继续生长。在生长过程中,催化剂液滴引导纳米线的生长方向并控制纳米线的直径。最后,当温度下降到低于催化剂合金的共晶温度或反应物的生成被抑制时,生长停止。氧化锌纳米线还有许多其他的合成方法。例如,低温水热法[18]。金属有机化学气相沉积[19]和高温气相传输有或没有催化剂[20]。在这些方法中,通常可以获得分散的氧化锌纳米线和垂直排列的氧化锌纳米线。Park等人通过在纳米线生长装置中设置阻挡层来抑制垂直生长而获得水平生长的纳米线[3]。通过在催化剂区域中构造金属电极,可以在设定的优先位置获得水平生长的氧化锌纳米线。纳米棒的制备过程与纳米线相似。Srinivasan等人使用传统的具有高性价比的水化学生长技术,在硅(100)衬底上合成了直径为几百纳米的氧化锌纳米棒[21],并通过将聚电解质引入生长溶液中进行化学调节,从而实现对纳米棒直径的宏观控制并加强它们在(002)方向的生长。侯等人用羧酸盐改性聚苯乙烯微球辅助水热法制备了六方棒状氧化锌晶体[22。该方法价格低廉,对环境无毒,适合大规模生产。制备的氧化锌纳米棒长约200-280纳米,直径约100-130纳米。王等人在氧化锌晶体上以锡为催化剂,通过外延生长制备了排列均匀的氧化锌纳米棒,[23]。在这种情况下,纳米棒的生长方向由催化剂的方向控制,而外延生长方向由决定对准生长的衬底决定。

第二章铜偏置掺杂氧化锌单壁纳米管的电子和光学性质研究

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第3章铜掺杂氧化锌单壁纳米管...41
3.1导言...41
3.2计算方法...43
3.3结果和讨论...45
3.4概述........50
在第4章中,氧化锌单壁纳米管被周期性地掺杂...51
。...51
4.2计算方法...52
4.3结果和讨论...53
4.4概述...63
第5章氧化锌单壁纳米管电子和光学性质的影响.......67
5.1导言.......67
5.2计算方法.......68
5.3结果和讨论........70
5.4概述........77

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