ZnO表界面及其特性的第一性原理研究

ZnO表界面性质决定了ZnO电学性能和应用领域，但ZnO的表面吸附、界面接触、晶界元素偏析和层结构等缺乏系统而深入的研究。.本项目利用基于密度泛函理论的第一性原理研究ZnO的表界面性质，包括：第一，表面吸附过渡金属原子的类别、数量和位置，以使表面表现一定金属性。第二，计算Ni/ZnO接触体系的几何及电子结构，探讨Ni扩散及Cr掺杂对Ni/ZnO接触的导电特性的影响。第三，对ZnO 对称倾侧晶界进行研究，研究理想ZnO 晶界和Fe元素偏析的晶界势垒，讨论Fe元素偏析对ZnO晶界势垒结构的影响规律。第四，研究层结构ZnO陶瓷的晶界电子结构，考察不同元素掺杂的组分可对ZnO压敏陶瓷的非线性特性和漏电流的影响规律。第五，研究过渡族元素掺杂对ZnO陶瓷电性能的影响规律，讨论过渡族元素掺杂对ZnO电性能与电子能级及自旋特性的关联性并探索电导机理。

本项目利用基于密度泛函理论的第一性原理研究ZnO的表界面性质并得出结果如下：(1)从ZnO表面原子结构、电子结构两个方面研究了ZnO低指数的清洁表面及过渡元素吸附的静态微观结构，并得到ZnO表面吸附的一些有关数据，结果分析表明：(a) 在Zn终止面，过渡元素原子易吸附在面心空位处，而在O终止面，则易吸附在O原子的顶位；Ni原子在ZnO极性面的吸附能最大，而Zn在几个高对称点的吸附能都为最小。(b) 从电子结构看到，ZnO（000-1）面的过渡元素吸附，使得表面态有所减少，吸附后的能带结构更接近ZnO体相能带结构；在ZnO的(0001)面，吸附使表面金属化特性更加明显。(c) ZnO（10-10）表面弛豫后，Zn原子向体内移动幅度明显，表面Zn-O二聚体发生扭曲，当该表面吸附Ti后空间电荷重新分布，表面形变减小，并使 ZnO（10-10）表面发生金属化转变。(d) ZnO（10-10）面因其是非极性的，在Ti原子吸附后，诱导表面产生间隙态，且是浅的施主态，使表面表现处带隙进一步减小，表面金属性得到明显的增强。(e) ZnO（11-20）面的电子结构与ZnO体内的极为相似，但Ti原子和O原子中间区域负电荷密度极高，Ti-O反映出较强的共价成键特性，且明显强于Zn-O键，因Ti外层电子向O转移有限，表层负电荷分布区域大，使表面表现出一定的金属性特征。(2)本文计算并详细分析了Ni/ZnO接触体系的几何及电子结构，探讨了Ni扩散及Cr掺杂对Ni /ZnO接触的导电特性的影响，认为Ni或Cr因发生自旋分裂，从能带或自旋角度讲，都会对该体系的电导行为产生影响。(3)对ZnO[0001]/(-1-230)=7对称倾侧晶界进行了研究，发现理想的ZnO[0001]/(-1-230)=7晶界不能形成晶界势垒，但Fe元素的偏析有助于势垒的形成。(4)研究了层结构ZnO陶瓷的晶界电子结构，发现不同元素掺杂的组分制成层结构ZnO压敏陶瓷时，由于非对称的晶界势垒的形成，可提高其非线性特性，降低漏电流。(5)通过对过渡族元素掺杂对ZnO陶瓷电性能影响研究，我们发现，过渡族元素掺杂对ZnO电性能的影响，不仅与电子的能级有关，也与其自旋特性紧密相连，即电导过程还包括自旋相关散射和自旋相关跳跃电导两个机理。　以上实验与理论计算结果达到了本项目预期的目标，并为提高ZnO陶瓷制备技术提供了较为详细理论。