ZnO薄膜光学性质及其第一原理计算研究

论文摘要

ZnO薄膜具有良好的透明导电性、压电性、光电性、气敏性、压敏性、且易与多种半导体材料实现集成化。由于这些优异的性质,使其具有广泛的和许多潜在的用途。对于ZnO薄膜的应用和相关器件的开发都依赖于对ZnO薄膜光学性能和电学性能的深入了解。“ZnO薄膜光学性质及其第一原理计算研究”论文,旨在进一步研究ZnO薄膜的光学性能及其电子结构,因此本学位论文选题具有重要的理论价值和实际指导意义。本文利用电磁波理论推导了ZnO薄膜的有关光学性能表达式;采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理的平面波赝势方法,并采用局域密度近似（LDA）理论和ABINIT软件对ZnO电子结构及有关光学性质进行了计算。文中从理论上推导了ZnO薄膜的透射率函数进而计算其厚度、折射率和消光系数。在研究ZnO晶体的电子结构中,从ZnO的固体物理学原胞基底矢量出发,得到了倒格子原胞的基底矢量,确定了简约布里渊区。在该区域内计算得到了ecut（截断能）、acell（原胞基底矢量大小）、ngkpt（波矢取点）等曲线,由此确定了合适的计算参数。在此基础上,得到了ZnO的能带和态密度曲线。通过对计算结果分析得知,ZnO的价带基本上可以分为三个区域,即下价带区、上价带区和位于-18.1 eV处的宽度为1.1 eV的价带;导带部分主要是由Zn的4s态贡献的,O的2p在该区域内具有微弱的贡献;ZnO是一种直接宽禁带半导体,导带底和价带顶位于布里渊区中心G点处,带隙为0.9 eV,相对比较该结果优于一些文献给出的计算值。同时,对介电函数实部ε1、虚部ε2:以及反射光谱R（ω）和能量损失谱L（ω）进行了曲线计算,并分析了其物理规律。本文中得到的研究结果,对研究ZnO薄膜的光学性能和电子结构提供了有益的理论参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 ZnO的研究现状
• 1.2 ZnO的晶体结构
• 1.3 ZnO的光电性能
• 1.3.1 ZnO的光学性能
• 1.3.2 ZnO的电学性能
• 1.4 ZnO的应用
• 1.4.1 表面声波器件
• 1.4.2 紫外光探测器
• 1.4.3 压敏电阻
• 1.4.4 ZnO发光二极管（LEDs）和激光二极管（LDs）
• 1.4.5 ZnO的其他用途
• 1.5 本课题研究的目的与意义
• 1.5.1 本课题目的
• 1.5.2 选题意义
• 第二章 ZnO薄膜光学性质的理论推导
• 2.1 反射率和透射率
• 2.2 单层膜的反射率和透射率
• 2.3 ZnO薄膜的折射率和消光系数
• 第三章 ABINIT软件包简介及基本理论方法
• 3.1 ABINIT软件包简介
• 3.2 密度泛函理论及第一原理
• 3.2.1 第一原理
• 3.2.2 绝热近似和Hartree-Fock近似
• 3.2.3 密度泛函理论
• 3.2.4 密度泛函理论中的近似
• 3.2.5 自洽场计算
• 第四章 ZnO电子结构及光学性质的第一原理计算
• 4.1 理论模型
• 4.1.1 ZnO的固体物理学原胞
• 4.1.2 ZnO的简约布里渊区
• 4.2 参数测试
• 4.2.1 ecut（截断能）的收敛性测试
• 4.2.2 acell（基底矢量大小）的收敛性测试
• 4.2.3 ngkpt（k点取样）的收敛性测试
• 4.3 能带及态密度计算
• 4.4 能带及态密度计算结果分析
• 4.5 光学性质计算
• 4.6 光学性质计算结果分析
• 第五章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢