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本论文首先介绍了计算机模拟计算与设计的应用现状及其发展。接着介绍了ZnS的基本结构和应用研究,以及对ZnS适当掺杂改善其结构性能和光学特性。运用基于密度泛函理论的第一性原理,对ZnS及其掺杂后体系的电子结构和光学特性(吸收光谱、介电函数)进行计算机模拟计算研究。选择了合适的计算软件Material Studio中的CASTEP模块。
本文主要研究了三个方面的内容:
(1)研究了本体ZnS的电子结构特性及光学特性。计算分析了能带、态密度以及光学特性。计算结果显示,ZnS为直接带隙半导体材料,禁带宽度2.048eV比实验值(Eg=3.6eV)小。在3.68eV附近有较强的带边吸收。
(2)研究了ZnS:Ag和ZnS:Cd体系的电子结构特性以及光学性质(针对吸收系数、介电函数)。计算分析了Ag、Cd两种掺杂体系的能带结构,态密度,吸收光谱和复介电函数。和掺杂前相比,掺杂后带隙变窄,对电子结构进行分析发现是由杂质 Ag的掺入引入了杂质能级(受主能级)造成的,且表明Ag掺杂ZnS为P型掺杂。Cd掺入后对 ZnS的导电性能没有明显改变。通过比较掺杂前后的吸收光谱、介电函数,分别分析了掺杂后光学吸收边的变化情况。掺杂Ag后吸收边的变化相对明显,吸收边出现红移,掺杂Cd后的吸收光谱几乎没有变化；以及微观电子结构的变化引起的物理性质的改变,ZnS:Ag介电函数的实部在低能区域变化明显,且静态介电常数ε0增大。ZnS:Cd后介电函数的实部和虚部的变化均不显著,静态介电常数ε0变化亦不明显。
(3)研究了ZnS:Al和 ZnS:Ga的电子结构特性以及光学特性(针对吸收系数、介电函数)。计算分析了Al、Ga两种掺杂体系的能带结构,态密度,吸收光谱和介电函数。和掺杂前比较,掺杂后ZnS的禁带宽度变窄,对电子结构分析发现是由杂质Al、Ga掺入,产生了施主能级(杂质能级)施主能级分别是由Al-3S态电子、Ga-4S态电子与S-3P态电子杂化造成的。施主能级出现,表明Al、Ga掺杂ZnS为N型掺杂。掺杂Ga后ZnS体系的吸收边出现明显的红移,掺入Al后体系的吸收边出现蓝移现象。至于两种掺杂对介电函数的影响,掺杂Al、Ga后介电函数的虚部分别1.08eV和1.32eV附近出现了新峰,是由Al-3p态电子和Ga-4p态电子的贡献形成的；掺杂后虚部的峰值均有移动和降低,是掺入杂质引起能带变化导致的,掺杂Al后静态介电常数ε0稍有增大:掺杂Ga后静态介电常数ε0明显增大,表明Al、Ga掺杂对ZnS的导电性能有一定的影响。