二維ZnO電子結(jié)構(gòu)的第一性原理研究

廣東理工學(xué)院電氣工程系 徐殿雙

二維ZnO電子結(jié)構(gòu)的第一性原理研究

廣東理工學(xué)院電氣工程系 徐殿雙

自石墨烯發(fā)現(xiàn)以來(lái)，類石墨烯材料的研究一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。二維材料具有獨(dú)特的物理性質(zhì)，在光電器件，傳感等方面有廣闊的應(yīng)用前景。塊體ZnO是一種多功能材料，目前已應(yīng)用到多種器件中，對(duì)于二維的ZnO也就引起了人們的重視。本文基于第一性原理計(jì)算，采用Materials studio軟件對(duì)二維ZnO進(jìn)行理論研究，主要分析二維ZnO的電子結(jié)構(gòu)，及其應(yīng)用領(lǐng)域的介紹。

二維ZnO；第一性原理；電子結(jié)構(gòu)

0 引言

2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)Andre Geim研究組發(fā)現(xiàn)了單層原子厚度的石墨結(jié)構(gòu)，它具有二維的蜂窩狀網(wǎng)格晶格，從此二維材料的發(fā)現(xiàn)掀起了低維材料的研究熱潮[1]。石墨烯擁有與石墨不同的性質(zhì)：只有一個(gè)原子層的厚度，有大的比表面積，非常柔韌，強(qiáng)度高，導(dǎo)電性好，熱導(dǎo)率也極高。但是石墨烯也有一大缺點(diǎn)就是本身不具有帶隙，使其在器件方面的應(yīng)用受到一定的限制。ZnO是優(yōu)良的寬禁帶半導(dǎo)體材料，基于石墨烯材料的假想，引起了人們對(duì)二維ZnO新思路，并且實(shí)驗(yàn)上成功的在Pd表面生長(zhǎng)出來(lái)[2]。但二維ZnO的理論研究尚不完善。為此我們有必要對(duì)二維ZnO研究提供理論基礎(chǔ)。

1 計(jì)算模型與方法

采用的是3×3×1的超晶胞模型，模型圖如圖1所示，從圖中可以看出，單層ZnO是Zn、O間隔的六元環(huán)的結(jié)構(gòu)，與石墨烯的模型相似，但沒(méi)有優(yōu)化的ZnO模型是褶皺的。

圖1 單層ZnO模型圖

計(jì)算的過(guò)程采用的是Materials studio 8.0軟件包中的Castep模塊。計(jì)算的全程都是采用相同的精度，方法采用的是廣義梯度近似方法（GGA），交換相關(guān)勢(shì)能函數(shù)使用（Perdew-Burke-Ernzerhof）PBE進(jìn)行計(jì)算。能量的計(jì)算選用的是340eV的截?cái)嗄?，K點(diǎn)選擇為3×3×1。與塊體不同，為了消除層間力，我們加入15?的真空層。結(jié)構(gòu)的收斂程度需達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn)：每個(gè)原子的自恰場(chǎng)收斂標(biāo)準(zhǔn)為1×10-5eV，能量變化范圍不超過(guò)為1×10-5eV。已知在塊體ZnO中進(jìn)行LDA+U的計(jì)算，加的U值分別為Zn的3d態(tài)是10eV，O的2p態(tài)是7eV。

2 計(jì)算結(jié)果與討論

通過(guò)以上計(jì)算，可以看到優(yōu)化后單層ZnO變?yōu)槠秸娜鐖D2， Zn-O-Zn鍵角均為120°，Zn-O鍵長(zhǎng)為1.91?[3]，鍵長(zhǎng)鍵角如下表1所示，從表中我們很容易看出單層ZnO比塊體ZnO的鍵長(zhǎng)要短，塊體ZnO的鍵長(zhǎng)在2.01?。這是由于單層ZnO沒(méi)有塊體的C軸方向的作用力，使得鍵長(zhǎng)變短[4]。

圖2 單層ZnO(a)優(yōu)化前,(b)優(yōu)化后

計(jì)算后得到的能帶圖如圖3，從圖中可知，二維ZnO是導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂都在布里淵區(qū)中心G點(diǎn)處的直接帶隙的半導(dǎo)體，帶隙寬度高達(dá)4.05eV。從圖中可以看出，ZnO的3個(gè)區(qū)域，即0.0eV到-4.0eV為上價(jià)帶，-4.0eV到-6.0eV的下價(jià)帶區(qū)，以及位于-15eV處寬度為0.5eV的價(jià)帶。二維ZnO的上價(jià)帶主要由O的2p態(tài)構(gòu)成，下價(jià)帶由Zn的3d態(tài)組成，O2s態(tài)主要貢獻(xiàn)在-15eV的位置，與其他兩個(gè)價(jià)帶的作用較小，對(duì)二維ZnO整體的影響不大。由態(tài)密度圖4可以看出二維ZnO自旋向上和自旋向下的電子態(tài)相同，說(shuō)明二維ZnO沒(méi)有磁性。

表1 單層ZnO晶格常數(shù)與鍵長(zhǎng)、鍵角

圖3 單層ZnO能帶圖

圖4 單層ZnO態(tài)密度圖

3 低維ZnO的應(yīng)用前景

與石墨烯相比較，二維ZnO不僅擁有帶隙，而且還是很大的禁帶寬度，在光學(xué)器件方面有廣泛的應(yīng)用前景。4.05eV的禁帶寬度，在場(chǎng)效應(yīng)管、壓電器件、太陽(yáng)能電池、生物傳感器、紫外探測(cè)器，以及波長(zhǎng)較小的傳感器等領(lǐng)域有很大的潛在價(jià)值。隨著高新技術(shù)的發(fā)展，各種器件都向著高度集成化發(fā)展，尺寸越來(lái)越小，二維材料的出現(xiàn)既降低了器件測(cè)尺寸，又提高了器件的性能，有利于新器件的研發(fā)；尤其是在傳感器方面，二維ZnO各方面的優(yōu)異性能決定其不可或缺的地位。二維ZnO既有石墨烯的大部分優(yōu)點(diǎn)，還具有塊體ZnO半導(dǎo)體材料的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于目前集成度較高的各種器件有很大的潛力，有利于推進(jìn)現(xiàn)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

二維ZnO的發(fā)現(xiàn)，成功的證明了類石墨烯材料的存在，實(shí)現(xiàn)了新材料的研究。二維ZnO的寬帶隙彌補(bǔ)了石墨烯的不足，并為類石墨烯材料的研究開(kāi)啟新的篇章。加大材料帶隙的方法有很多種，可以實(shí)現(xiàn)石墨烯“0”帶隙的突破，但是無(wú)論什么方法改變的帶隙都不如材料本身具有的帶隙穩(wěn)定性好。尋找替代石墨烯材料的研究將會(huì)是近些年的主要方向。

[1]Novoselov K S,Geim A K,Morozov S V,et al.Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films[J].Science,2004,306:666-669．

[2]Weirrum G,Barcaro G,Fortunelli F,Weber F,Schennech R,Surnev S,Netzer F.Growth and Surface Structure of Zinc Oxide Layers on a Pd(111)Surface[J].Journal of Physical Chemistry C,2010,114:15432.

[3]Oshikiri M,Aryasetiawan F.Band Gaps and Quasiparticle Energy Calculations on ZnO,ZnS and ZnSe in the Zinc-blende Structure by the GW Approximation.Physical Review B,1999,60:10754.

[4]Butler K T,Walsh A.Ultra-thin Oxide Films for Band Engineering:Design Principles and Numerical Experiments[J].Thin Solid Films,2014,559:64-68.

圖3 繼電器在機(jī)殼上的絕緣安裝

3.2 繼電器的防靜電設(shè)計(jì)

由于航天環(huán)境的特殊性，空間等離子體會(huì)在繼電器的金屬殼體上形成靜電。繼電器進(jìn)行絕緣安裝后，就無(wú)法及時(shí)有效的釋放在繼電器殼體上累積的靜電，因此在航天器中使用繼電器必須采取措施對(duì)繼電器殼體表面的靜電進(jìn)行泄放。

在正常設(shè)計(jì)中常采取在磁保持繼電器的殼體上連接一個(gè)靜電泄放電阻到單機(jī)金屬殼體的措施，為繼電器殼體提供良好的靜電放電回路。

4 結(jié)語(yǔ)

由于具有待機(jī)功耗低、高可靠的特性，磁保持繼電器在航天配電系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。本文從繼電器的串并聯(lián)使用、線圈的瞬態(tài)抑制、絕緣安裝和防靜電設(shè)計(jì)等方面對(duì)磁保持繼電器在航天特殊環(huán)境下的使用進(jìn)行了闡述。上述的設(shè)計(jì)方式已廣泛應(yīng)用于航天型號(hào)產(chǎn)品供配電系統(tǒng)中，并且在軌工作運(yùn)行良好。

參考文獻(xiàn)

[1]陳偉.星載天線驅(qū)動(dòng)器磁保持繼電器觸點(diǎn)保護(hù)技術(shù)[J].可靠性物理與失效分析技術(shù),2016,2(34):26-30.

[2]馬世俊.衛(wèi)星電源技術(shù)[M].北京:中國(guó)宇航出版社,2001.

[3]王凱,李杏春,王占國(guó).一種磁保持繼電器驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)[J].儀器儀表用戶,15(3):66-67.

[4]鐘國(guó)芳,陳惠強(qiáng).磁保持繼電器應(yīng)用中的問(wèn)題及改進(jìn)措施[J].華電技術(shù),2009,8(31):45-48.

[5]翁麗靖,朱筱南.磁保持繼電器在星載雷達(dá)直流配電器中的特殊應(yīng)用[J].信息化研究,2010,36(12):40-42.

[6]陳丹,王丹,王國(guó)軍.航天器多繼電器線圈并聯(lián)電路的可靠性研究[J].航天器環(huán)境工程,2014,31(3):313-315.

[7]閻健.電磁繼電器和固態(tài)繼電器在回收電路中的應(yīng)用[J].航天返回與遙感,2002,23(1):1-3.

作者簡(jiǎn)介：

張國(guó)兵（1973—），男，河南洛陽(yáng)人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事星載供配電系統(tǒng)研制工作。

任海林（1979—），男，安徽淮北人，學(xué)士，高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制工作。

徐殿雙（1987—），男，碩士，助教，研究方向：功能材料。