ZnS摻雜Ag、Fe的第一性原理研究

姜貴民

【摘 要】為研究閃鋅礦結(jié)構(gòu)ZnS摻雜Ag、Fe體系的電子結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性質(zhì)，論文通過基于密度泛函理論的第一性原理計算方法計算了該摻雜體系的能帶結(jié)構(gòu)和自旋態(tài)密度。結(jié)果表明：ZnS摻雜Ag、Fe時的態(tài)密度在費米能級附近出現(xiàn)了一個雜質(zhì)能級，Ag摻雜為p型摻雜，F(xiàn)e摻雜為n型摻雜；過渡金屬Fe摻雜ZnS時使ZnS的磁學(xué)性質(zhì)得到改變。

【Abstract】In order to study the electronic structure and magnetic properties of Ag and Fe systems doped into ZnS in the sphalerite structure， this paper calculates the energy band structure and the spin density of the doping system by the first-principles calculation method based on the density functional theory. The results show that the density of ZnS doped with Ag and Fe has an impurity level near the Fermi level， Ag doping is p-type doping， Fe doping is n-type doping； transition metal Fe doping into ZnS makes the magnetic properties of ZnS changed.

【關(guān)鍵詞】ZnS；第一性原理；摻雜；磁學(xué)性質(zhì)

【Keywords】ZnS； first principle； doping； magnetic properties

【中圖分類號】F224-39 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）07-0151-02

1 引言

ZnS是一種重要的寬禁帶Ⅱ-Ⅵ族本征半導(dǎo)體材料，在各個領(lǐng)域都有廣泛的用途和應(yīng)用前景。但純ZnS材料的帶隙使其在一些領(lǐng)域中的應(yīng)用受到了限制，因此，合理摻雜ZnS使其電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)得到改變，以適應(yīng)不同領(lǐng)域的實際需求，具有廣闊的應(yīng)用前景。Bhargava等人[1]在1994年發(fā)現(xiàn)，ZnS晶體在摻雜Mn2+后具有很高的量子發(fā)光效率。Anuja等人研究了摻雜Cu的ZnS系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)從纖鋅礦到閃鋅礦的相變等。

本文研究了ZnS摻雜Ag、Fe的磁學(xué)性質(zhì)和電子結(jié)構(gòu)，主要基于第一性原理的計算方法進行計算，為半導(dǎo)體新材料的開發(fā)提供理論依據(jù)和實驗指導(dǎo)。計算結(jié)果與實驗結(jié)果較為符合。

2 理論模型與計算方法

計算采用基于密度泛函理論（density functional theory，DFT）的廣義梯度近似（generalized gradient approximation，GGA）修正方法[2-5]。采用超軟贗勢（ultra-soft pseudo-potential，USSP）近似描述價電子與離子實之間的相互作用；交換相干函數(shù)用GGA/PBE[6]進行處理，在倒易的K空間中，通過平面波截止能量的選擇可以提高計算精度，同時運用快速傅立葉變化技術(shù)，在實空間和倒易空間之間，使能量、相互作用勢等快速轉(zhuǎn)換[7]。計算所用的模型為閃鋅礦結(jié)構(gòu)ZnS，其空間群為F-43M（216），晶格常數(shù)a=b=c=0.54093nm，α=β=γ=90°，為1×1×1超晶胞結(jié)構(gòu)。選取Zn-3d104s2、S-3s23p4、Ag-3s23p1、Fe-2s22p3組態(tài)電子作為價電子，其他軌道電子看作芯電子來進行計算。基本參數(shù)設(shè)置為在倒易的K空間中，平面波截止能選取Ecut=420.0eV，迭代過程中的收斂精度為1.0×10-5電子伏特/原子，也即作用在每個原子上的力不大于0.03eV/nm，內(nèi)應(yīng)力不大于0.05GPa，系統(tǒng)總能和電荷密度在Brillouin區(qū)的積分計算采用Monkorst-Park方案，選取k網(wǎng)格點為5×5×2，保證了體系能量和構(gòu)型在準完備的平面波基水平上收斂。其中一個Ag、Fe原子分別替代超晶胞中心的一個Zn原子，模型如圖1所示。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 結(jié)構(gòu)分析

為了獲得ZnS基態(tài)的晶格屬性，對ZnS超原胞進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，計算表明我們選取的結(jié)構(gòu)是非常合適的。由于Ag原子半徑比Zn的原子半徑要小導(dǎo)致?lián)诫s后ZnS的晶格參數(shù)有所減小。由于摻雜方式為原位替代，所以摻雜未改變晶體的對稱性，摻雜后的晶體與純凈的ZnS晶體同構(gòu)。摻雜Fe與摻雜前相比ZnS的晶格常數(shù)發(fā)生了微小的變化，這是由過渡金屬原子置換鋅原子后原子間的相互作用發(fā)生了變化所致。

3.2 能帶結(jié)構(gòu)分析

第一，ZnS摻雜Ag的能帶結(jié)構(gòu)。在純ZnS電子性質(zhì)的基礎(chǔ)之上，我們計算了Ag摻雜ZnS的能帶結(jié)構(gòu)結(jié)果如圖2所示，從圖中可以看出，由于雜質(zhì)Ag的摻入導(dǎo)致熱學(xué)禁帶寬度變?yōu)?.92eV，并且在價帶頂附近出現(xiàn)了雜質(zhì)能級（受主能級），該能級距價帶頂0.05eV。通過計算，Ag的摻雜為P型摻雜。

第二，ZnS摻雜Fe的能帶結(jié)構(gòu)。在純ZnS電子性質(zhì)的基礎(chǔ)之上，我們計算了Ag摻雜ZnS的能帶結(jié)構(gòu)結(jié)果，可以看出費米能級附近出現(xiàn)了雜質(zhì)能級。計算表明，F(xiàn)e的摻雜為n型摻雜。

3.3 磁學(xué)性質(zhì)分析

通過分析，發(fā)現(xiàn)ZnS摻雜Ag是曲線幾乎對稱，而摻雜Fe時曲線不對稱，對比數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)Fe的磁矩為4.18664μB，自旋為1.72hbar，而Ag均為0，所以得出結(jié)論：Ag的摻雜并沒有改變ZnS的磁學(xué)性質(zhì)，而摻雜Fe時ZnS具有了一定的磁性。endprint

4 結(jié)語

本文基于密度泛函理論的第一性原理方法，對ZnS摻雜Ag、Fe的能帶結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性質(zhì)進行分析，得到了如下結(jié)論：

①ZnS摻雜Ag為p型摻雜，雜質(zhì)能級構(gòu)成了復(fù)合價帶頂，系統(tǒng)的帶隙變小，ZnS摻雜Fe為n型摻雜；

②ZnS摻雜過渡Fe時自旋態(tài)密度曲線不對稱，對比數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)摻雜時Fe的磁矩為4.18664μB，自旋為1.72hbar，而Ag均為0，因此，Ag的摻雜并沒有改變ZnS的磁學(xué)性質(zhì)，而摻雜Fe時ZnS具有了一定的磁性。

【參考文獻】

【1】R N Bhargava， D Gallagher，X Hong，et a1.Optical properties of manganese doped nanocrystals of ZnS[J].Phys.Rev.Lett，1994，3（72）：416-419.

【2】Liu B， Zhang H， Fernandes H. Quantitative Evaluation of Pulsed Thermography， Lock-in Thermography and Vibrothermography on Foreign Object Defect （FOD） in CFRP[J]. Sensors， 2016， 16（5）：743. 【3】Liu B， He Y Y， Zhang H. Study on characteristics of magnetic memory testing signal based on the stress concentration field[J]. Iet Science Measurement & Technology， 2017， 11（1）：2-8.

【4】Liu Bin， He Luyao， Zhang Hai，. The axial crack testing model for long distance oil-gas pipeline based on magnetic flux leakage internal inspection method[J]. Measurement， 2017，103（1）：275-282.

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