低維氧化鋅體系p型摻雜與外場(chǎng)調(diào)控的理論探索與應(yīng)用研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代材料科學(xué)與電子器件領(lǐng)域，低維氧化鋅體系憑借其獨(dú)特的物理性質(zhì)和廣泛的應(yīng)用前景，成為了研究的焦點(diǎn)之一。氧化鋅（ZnO）作為一種重要的寬帶隙半導(dǎo)體材料，具有帶隙寬（室溫下約為3.37eV）和激子束縛能高（約為60meV）的特點(diǎn)，這使得它在光電器件、傳感器、催化等諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。而低維氧化鋅材料，如納米線、納米帶、量子點(diǎn)以及薄膜等，由于量子限域效應(yīng)和高比表面積等特性，進(jìn)一步拓展了其性能優(yōu)勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)高性能電子器件提供了新的可能。p型摻雜對(duì)于氧化鋅體系而言至關(guān)重要。在半導(dǎo)體器件中，p型和n型半導(dǎo)體的結(jié)合是構(gòu)建各種功能性器件的基礎(chǔ)，如p-n結(jié)二極管、晶體管、發(fā)光二極管（LED）等。然而，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的p型氧化鋅材料一直是該領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)之一。本征氧化鋅通常呈現(xiàn)n型導(dǎo)電性，主要源于氧空位和鋅填隙等本征缺陷，這些缺陷作為施主提供電子，使得載流子主要為電子。要實(shí)現(xiàn)p型摻雜，就需要引入受主雜質(zhì)，以增加空穴載流子濃度。但在實(shí)際過(guò)程中，受主雜質(zhì)在氧化鋅中的固溶度低、激活能高，且容易受到本征缺陷的補(bǔ)償作用，導(dǎo)致難以獲得高濃度、低電阻的p型氧化鋅材料。盡管如此，近年來(lái)研究人員通過(guò)不斷探索新的摻雜元素和方法，取得了一定的進(jìn)展。例如，采用第一性原理計(jì)算預(yù)測(cè)了氟、銅、銀等元素作為p型摻雜劑的可能性，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)摻雜材料進(jìn)行電學(xué)和光學(xué)特性的表征，部分驗(yàn)證了理論預(yù)測(cè)。其中，銅摻雜由于其高化學(xué)活性和較強(qiáng)的電子親和性，被證明可在氧化鋅中形成勢(shì)阱，提高空穴濃度；氟摻雜則可以改變氧化鋅的電子能帶結(jié)構(gòu)，形成更高的帶隙和空穴濃度。外場(chǎng)調(diào)控作為另一種有效調(diào)節(jié)材料電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的手段，也在低維氧化鋅體系研究中備受關(guān)注。通過(guò)施加電場(chǎng)、磁場(chǎng)等外場(chǎng)，可以改變材料中載流子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、能級(jí)結(jié)構(gòu)以及電子-聲子相互作用等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料光電性質(zhì)的精細(xì)調(diào)控。例如，在電場(chǎng)作用下，低維氧化鋅體系的載流子遷移率和電導(dǎo)率會(huì)發(fā)生變化，這對(duì)于提高電子器件的性能，如增強(qiáng)晶體管的開(kāi)關(guān)速度和降低功耗等具有重要意義；而磁場(chǎng)調(diào)控則可能引發(fā)材料的磁光效應(yīng)，為光信息存儲(chǔ)和磁傳感器等應(yīng)用提供新的途徑。然而，目前對(duì)于外場(chǎng)調(diào)控下低維氧化鋅體系的物理機(jī)制研究還不夠深入，不同外場(chǎng)調(diào)控方式之間的協(xié)同效應(yīng)以及最佳調(diào)控條件的探索仍有待進(jìn)一步加強(qiáng)。本研究聚焦于低維氧化鋅體系的p型摻雜和外場(chǎng)調(diào)控，具有多方面的重要意義。在材料科學(xué)基礎(chǔ)研究方面，深入探究p型摻雜機(jī)制和外場(chǎng)調(diào)控下的物理過(guò)程，有助于揭示低維氧化鋅體系的本征特性和微觀相互作用，為進(jìn)一步優(yōu)化材料性能提供理論依據(jù)。通過(guò)建立精確的理論模型，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)摻雜和外場(chǎng)作用對(duì)材料電子結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)的影響，指導(dǎo)新型低維氧化鋅材料的設(shè)計(jì)與合成。從電子器件應(yīng)用角度來(lái)看，成功實(shí)現(xiàn)p型摻雜和有效外場(chǎng)調(diào)控，將為制備高性能的光電器件開(kāi)辟道路。高質(zhì)量的p型氧化鋅與n型材料結(jié)合，可構(gòu)建高效的p-n結(jié)，用于制造高亮度的紫外LED、高效的光電探測(cè)器以及低功耗的晶體管等，滿足信息、能源、軍事等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅茈娮悠骷男枨?。此外，外?chǎng)調(diào)控技術(shù)的發(fā)展，還可能為智能傳感器、可穿戴電子設(shè)備等新興領(lǐng)域提供創(chuàng)新的解決方案，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級(jí)和發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在低維氧化鋅體系的p型摻雜研究方面，國(guó)內(nèi)外研究人員已取得了豐碩的成果。國(guó)外的研究起步較早，如美國(guó)、日本等國(guó)家的科研團(tuán)隊(duì)在新型摻雜元素探索和摻雜機(jī)制研究上投入了大量精力。美國(guó)的一些研究小組利用先進(jìn)的第一性原理計(jì)算，對(duì)多種可能的p型摻雜劑進(jìn)行篩選和理論分析，發(fā)現(xiàn)了氟、銅等元素在氧化鋅中的獨(dú)特?fù)诫s行為。他們通過(guò)精確的計(jì)算模擬，揭示了氟摻雜后氧化鋅電子能帶結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，以及銅摻雜形成勢(shì)阱提高空穴濃度的微觀機(jī)制。在實(shí)驗(yàn)方面，日本的科研人員采用分子束外延（MBE）等先進(jìn)技術(shù)制備出高質(zhì)量的摻雜氧化鋅薄膜，并通過(guò)低溫光致發(fā)光、霍爾效應(yīng)測(cè)量等手段，深入研究了摻雜濃度與薄膜光電性質(zhì)之間的關(guān)系，為p型氧化鋅在光電器件中的應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。國(guó)內(nèi)的研究近年來(lái)也取得了顯著進(jìn)展。眾多科研機(jī)構(gòu)和高校在p型摻雜領(lǐng)域開(kāi)展了深入研究，如中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、清華大學(xué)等。中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的團(tuán)隊(duì)提出了反向摻雜的創(chuàng)新思想，通過(guò)熱氧化Zn?N?實(shí)現(xiàn)氧對(duì)氮的反向摻雜，成功獲得了氮摻雜的p型ZnO納米晶薄膜，該方法有效克服了氮受主在ZnO中固溶度低和形成替位摻雜困難的問(wèn)題，為制備高質(zhì)量穩(wěn)定的p-ZnO材料開(kāi)辟了新途徑。清華大學(xué)的研究人員則專注于多元素共摻對(duì)低維氧化鋅體系性能的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算相結(jié)合，探索了不同共摻組合下材料的電學(xué)和光學(xué)性能變化，發(fā)現(xiàn)某些共摻體系可以協(xié)同提高材料的空穴濃度和遷移率，為優(yōu)化p型氧化鋅材料性能提供了新的思路。在外場(chǎng)調(diào)控研究領(lǐng)域，國(guó)外同樣處于領(lǐng)先地位。歐洲的科研團(tuán)隊(duì)利用強(qiáng)磁場(chǎng)和高電場(chǎng)對(duì)低維氧化鋅納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，通過(guò)磁輸運(yùn)和光發(fā)射譜等技術(shù)手段，研究外場(chǎng)作用下材料的電子態(tài)和光學(xué)躍遷特性。他們發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)磁場(chǎng)下，氧化鋅納米線的電子自旋極化發(fā)生變化，導(dǎo)致磁光效應(yīng)增強(qiáng)，這一發(fā)現(xiàn)為磁光器件的開(kāi)發(fā)提供了新的原理和方法。美國(guó)的研究小組則著重研究了電場(chǎng)對(duì)氧化鋅量子點(diǎn)發(fā)光特性的調(diào)控，通過(guò)改變外加電場(chǎng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了量子點(diǎn)發(fā)光波長(zhǎng)和強(qiáng)度的有效調(diào)節(jié)，為量子點(diǎn)在顯示和照明領(lǐng)域的應(yīng)用提供了技術(shù)支持。國(guó)內(nèi)在這方面也取得了不少成果。北京大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)理論模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究了電場(chǎng)對(duì)低維氧化鋅薄膜載流子輸運(yùn)性質(zhì)的影響，揭示了電場(chǎng)誘導(dǎo)的載流子散射機(jī)制和遷移率變化規(guī)律，為提高氧化鋅基電子器件的性能提供了理論指導(dǎo)。上海交通大學(xué)的科研人員則探索了外場(chǎng)與p型摻雜協(xié)同作用對(duì)低維氧化鋅體系性能的影響，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)耐鈭?chǎng)可以增強(qiáng)p型摻雜效果，提高材料的空穴濃度和電導(dǎo)率，為實(shí)現(xiàn)高性能光電器件提供了新的策略。盡管國(guó)內(nèi)外在低維氧化鋅體系的p型摻雜和外場(chǎng)調(diào)控研究中取得了諸多成果，但目前仍存在一些不足與挑戰(zhàn)。在p型摻雜方面，雖然發(fā)現(xiàn)了多種潛在的摻雜元素和方法，但實(shí)現(xiàn)高濃度、低電阻且穩(wěn)定的p型氧化鋅材料仍然困難重重。本征缺陷的補(bǔ)償作用以及摻雜元素的低固溶度和高激活能等問(wèn)題尚未得到根本解決，導(dǎo)致制備的p型材料性能難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。此外，對(duì)于不同摻雜元素和方法對(duì)低維氧化鋅體系微觀結(jié)構(gòu)和電子態(tài)影響的深入理解還不夠，缺乏統(tǒng)一的理論模型來(lái)全面解釋和預(yù)測(cè)摻雜過(guò)程中的各種現(xiàn)象。在外場(chǎng)調(diào)控方面，目前對(duì)低維氧化鋅體系在外場(chǎng)作用下的物理機(jī)制研究還不夠深入。不同外場(chǎng)調(diào)控方式之間的協(xié)同效應(yīng)以及最佳調(diào)控條件的探索仍處于初級(jí)階段，缺乏系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。而且，外場(chǎng)調(diào)控實(shí)驗(yàn)往往需要復(fù)雜的設(shè)備和條件，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，如何簡(jiǎn)化外場(chǎng)調(diào)控方法并提高其調(diào)控效率，是亟待解決的問(wèn)題。在低維氧化鋅體系的p型摻雜和外場(chǎng)調(diào)控研究中，理論與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合還不夠緊密，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)之間存在一定偏差，需要進(jìn)一步加強(qiáng)兩者之間的相互驗(yàn)證和完善。1.3研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究聚焦于低維氧化鋅體系的p型摻雜和外場(chǎng)調(diào)控，旨在深入探究其微觀機(jī)制和性能變化規(guī)律，為低維氧化鋅材料在光電器件等領(lǐng)域的應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。具體研究?jī)?nèi)容如下：嵌入型摻雜理論模型建立：運(yùn)用第一性原理計(jì)算，結(jié)合密度泛函理論（DFT），構(gòu)建適用于低維氧化鋅體系的嵌入型摻雜理論模型。在模型中，精確考慮摻雜原子與氧化鋅晶格的相互作用、電荷轉(zhuǎn)移以及晶格畸變等因素，通過(guò)對(duì)摻雜體系電子結(jié)構(gòu)和能量的計(jì)算，推導(dǎo)p型摻雜所需的電荷載流子類型、數(shù)量以及活化能等關(guān)鍵參數(shù)。利用數(shù)值模擬方法，對(duì)不同摻雜濃度和摻雜位置的低維氧化鋅體系進(jìn)行模擬計(jì)算，驗(yàn)證理論模型的正確性和可靠性，為后續(xù)研究提供理論框架。單摻雜與雙摻雜的研究：基于建立的理論模型，對(duì)低維氧化鋅體系的單摻雜和雙摻雜情況展開(kāi)深入研究。在單摻雜研究中，精心選擇氟、銅、銀等具有代表性的雜質(zhì)摻雜劑，系統(tǒng)分析它們?cè)谘趸\納米材料中的摻雜行為。通過(guò)計(jì)算摻雜體系的電子結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)以及態(tài)密度等，深入探究單摻雜對(duì)低維氧化鋅體系光電性質(zhì)的影響規(guī)律，明確不同摻雜元素的最佳摻雜濃度和位置。在雙摻雜研究中，創(chuàng)新性地進(jìn)行摻雜劑的組合選擇和優(yōu)化?？紤]不同摻雜元素之間的協(xié)同作用，研究雙摻雜對(duì)低維氧化鋅體系光電性質(zhì)的綜合影響。通過(guò)對(duì)比單摻雜和雙摻雜體系的性能差異，揭示雙摻雜的優(yōu)勢(shì)和作用機(jī)制，為開(kāi)發(fā)高性能的p型低維氧化鋅材料提供新的思路和方法。外場(chǎng)調(diào)控的理論模擬：利用建立的理論模型，對(duì)低維氧化鋅體系在電場(chǎng)、磁場(chǎng)等不同外場(chǎng)調(diào)控情況下的光電性質(zhì)進(jìn)行全面的仿真模擬。在電場(chǎng)調(diào)控模擬中，研究電場(chǎng)強(qiáng)度和方向?qū)Φ途S氧化鋅體系載流子遷移率、電導(dǎo)率以及光學(xué)吸收等性質(zhì)的影響。通過(guò)分析電場(chǎng)作用下電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和能級(jí)變化，揭示電場(chǎng)調(diào)控的微觀物理機(jī)制。在磁場(chǎng)調(diào)控模擬中，探究磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向?qū)Φ途S氧化鋅體系磁光效應(yīng)、電子自旋極化等性質(zhì)的影響。研究磁場(chǎng)與材料中電子的相互作用，以及這種相互作用如何改變材料的光電性能，為實(shí)現(xiàn)外場(chǎng)對(duì)低維氧化鋅體系的有效調(diào)控提供理論依據(jù)。研究成果總結(jié)和應(yīng)用：全面總結(jié)研究過(guò)程中獲得的摻雜方法和最佳外場(chǎng)調(diào)控方式，將研究成果應(yīng)用于實(shí)際材料制備和器件開(kāi)發(fā)。根據(jù)理論研究結(jié)果，精心制備相應(yīng)的低維氧化鋅體系的摻雜樣品和外場(chǎng)調(diào)控樣品。運(yùn)用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，如掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射線光電子能譜（XPS）以及光致發(fā)光光譜（PL）等，對(duì)樣品的結(jié)構(gòu)、成分和光電性質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)試和表征。將制備的樣品應(yīng)用于太陽(yáng)能電池、光電傳感器等光電器件中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究成果的有效性和實(shí)用性，為低維氧化鋅材料在實(shí)際應(yīng)用中的推廣提供技術(shù)支持。1.3.2創(chuàng)新點(diǎn)本研究在低維氧化鋅體系的p型摻雜和外場(chǎng)調(diào)控研究中，力求突破傳統(tǒng)研究思路和方法，展現(xiàn)出多方面的創(chuàng)新點(diǎn)，有望為該領(lǐng)域的發(fā)展注入新的活力和動(dòng)力。多因素協(xié)同研究：創(chuàng)新性地將p型摻雜和外場(chǎng)調(diào)控相結(jié)合，開(kāi)展多因素協(xié)同作用對(duì)低維氧化鋅體系性能影響的研究。以往的研究往往側(cè)重于單一因素對(duì)材料性能的調(diào)控，而本研究首次全面考慮摻雜和外場(chǎng)共同作用下材料的微觀結(jié)構(gòu)、電子態(tài)以及光電性質(zhì)的變化。通過(guò)這種多因素協(xié)同研究，能夠更深入地揭示低維氧化鋅體系的內(nèi)在物理機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)材料性能的全面優(yōu)化提供新的途徑。這種研究思路的創(chuàng)新，有助于打破傳統(tǒng)研究的局限性，推動(dòng)低維氧化鋅材料研究向更深入、更全面的方向發(fā)展。新理論模型建立：成功建立了基于第一性原理的嵌入型摻雜理論模型，該模型全面考慮了摻雜原子與氧化鋅晶格的復(fù)雜相互作用、電荷轉(zhuǎn)移以及晶格畸變等多種因素。與以往的理論模型相比，本模型具有更高的準(zhǔn)確性和可靠性，能夠更精確地預(yù)測(cè)p型摻雜對(duì)低維氧化鋅體系電子結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)的影響。通過(guò)該模型的建立，為低維氧化鋅體系的p型摻雜研究提供了更為有效的理論工具，有助于指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究和材料設(shè)計(jì)，提高研究效率和成功率。實(shí)驗(yàn)與理論深度融合：在研究過(guò)程中，高度重視實(shí)驗(yàn)與理論的緊密結(jié)合。通過(guò)理論計(jì)算預(yù)測(cè)材料的性能和變化規(guī)律，為實(shí)驗(yàn)研究提供明確的指導(dǎo)方向；同時(shí)，利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)理論模型進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)證和修正，確保理論研究的準(zhǔn)確性和可靠性。這種深度融合的研究方法，能夠充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)和理論各自的優(yōu)勢(shì)，避免了理論研究與實(shí)驗(yàn)實(shí)際脫節(jié)的問(wèn)題，為解決低維氧化鋅體系研究中的關(guān)鍵問(wèn)題提供了有力的保障。通過(guò)實(shí)驗(yàn)與理論的相互促進(jìn)和協(xié)同發(fā)展，有望在低維氧化鋅材料領(lǐng)域取得更多突破性的研究成果。二、低維氧化鋅體系概述2.1ZnO晶體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)2.1.1基本結(jié)構(gòu)ZnO晶體通常呈現(xiàn)三維纖鋅礦結(jié)構(gòu)，屬于六方晶系。在這種結(jié)構(gòu)中，氧原子和鋅原子分別構(gòu)成六方緊密堆積的原子層，兩層之間相互嵌套排列，形成了穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。具體而言，每個(gè)鋅原子被四個(gè)氧原子以正四面體的方式包圍，同樣地，每個(gè)氧原子也被四個(gè)鋅原子以正四面體的方式包圍。這種原子排列方式使得ZnO晶體具有較高的穩(wěn)定性和獨(dú)特的物理性質(zhì)。從晶格參數(shù)來(lái)看，ZnO晶體的晶格常數(shù)a和c分別約為0.325nm和0.521nm，其中c/a的比率約為1.60，接近理想六邊形的比例1.633。這種晶格參數(shù)的特點(diǎn)，不僅決定了晶體的幾何形狀和原子間的距離，還對(duì)其物理性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。例如，合適的晶格參數(shù)使得ZnO晶體在電子學(xué)和光學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，為其在光電器件中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO晶體具有獨(dú)特的對(duì)稱性，其點(diǎn)群為6mm，空間群是P63mc。這種對(duì)稱性賦予了ZnO晶體一些特殊的物理性質(zhì)，如壓電效應(yīng)和焦熱點(diǎn)效應(yīng)，使得它在傳感器、換能器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。2.1.2基本性質(zhì)電學(xué)性質(zhì)：ZnO是一種寬帶隙半導(dǎo)體材料，在室溫下其禁帶寬度約為3.37eV，這使得它在常溫下具有較好的絕緣性能。同時(shí)，由于其電子遷移率較高，約為100-200cm2/(V?s)，在適當(dāng)?shù)臈l件下可以實(shí)現(xiàn)有效的電子傳導(dǎo)，因此在半導(dǎo)體器件應(yīng)用中具有很大的潛力。例如，在制備晶體管等器件時(shí)，較高的電子遷移率有助于提高器件的運(yùn)行速度和降低功耗。ZnO晶體中的本征缺陷，如氧空位和鋅填隙等，會(huì)對(duì)其電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響。這些本征缺陷通常作為施主提供電子，使得本征ZnO呈現(xiàn)n型導(dǎo)電性。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)精確控制這些本征缺陷的濃度和分布，可以有效調(diào)節(jié)ZnO材料的電學(xué)性能，滿足不同器件的需求。光學(xué)性質(zhì)：ZnO具有較高的激子束縛能，約為60meV，這一特性使得它在室溫下能夠?qū)崿F(xiàn)高效的激子復(fù)合發(fā)光。激子束縛能是指將激子中的電子和空穴分離所需的能量，較高的激子束縛能意味著激子在室溫下更不容易解離，從而提高了發(fā)光效率。因此，ZnO在紫外光發(fā)射器件，如紫外LED和紫外激光器等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。ZnO在可見(jiàn)光波段具有良好的透明性，其透光率可達(dá)90%以上。這使得它在透明導(dǎo)電電極、光電器件的窗口層等方面有著重要的應(yīng)用。例如，在太陽(yáng)能電池中，ZnO作為透明導(dǎo)電電極可以有效傳輸光生載流子，同時(shí)允許太陽(yáng)光透過(guò)，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。熱學(xué)性質(zhì)：ZnO具有較高的熔點(diǎn)，約為1975℃，這表明它在高溫環(huán)境下具有較好的熱穩(wěn)定性。在一些高溫應(yīng)用場(chǎng)景，如高溫傳感器、高溫電子器件等，ZnO的高熱穩(wěn)定性使其能夠保持穩(wěn)定的性能，為器件的正常運(yùn)行提供保障。其熱導(dǎo)率也相對(duì)較高，約為0.6-1.3W/(cm?K)，這使得它在散熱方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。在電子器件中，良好的熱導(dǎo)率有助于及時(shí)散發(fā)工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，防止器件因過(guò)熱而性能下降或損壞。2.1.3本征缺陷在ZnO晶體材料中，存在著多種常見(jiàn)的本征缺陷，這些缺陷對(duì)材料的性能有著至關(guān)重要的影響。鋅空位（）：當(dāng)晶體中缺少鋅原子時(shí)，就會(huì)形成鋅空位。鋅空位通常表現(xiàn)為受主缺陷，因?yàn)樗梢圆东@電子，從而增加材料中的空穴濃度。然而，在實(shí)際情況中，鋅空位的形成能相對(duì)較高，導(dǎo)致其在晶體中的濃度較低。而且，鋅空位容易與其他缺陷或雜質(zhì)相互作用，形成復(fù)合缺陷，進(jìn)一步影響材料的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。氧空位（）：氧空位是ZnO晶體中最為常見(jiàn)的本征缺陷之一，它是由于晶體中缺少氧原子而形成的。氧空位具有較低的形成能，在晶體中容易大量產(chǎn)生。氧空位通常作為施主缺陷存在，能夠提供電子，使得ZnO呈現(xiàn)n型導(dǎo)電性。大量的氧空位會(huì)導(dǎo)致材料的電學(xué)性能不穩(wěn)定，影響其在電子器件中的應(yīng)用。氧空位還會(huì)對(duì)材料的光學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響，如導(dǎo)致發(fā)光光譜的變化，產(chǎn)生深能級(jí)缺陷發(fā)光等。間隙鋅（）：間隙鋅是指鋅原子占據(jù)了晶體晶格間隙位置而形成的缺陷。間隙鋅同樣是一種施主缺陷，能夠提供電子，增加材料的n型導(dǎo)電性。不過(guò)，間隙鋅的形成能相對(duì)較高，其在晶體中的濃度相對(duì)較低。間隙鋅的存在可能會(huì)引起晶格畸變，影響晶體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和其他物理性質(zhì)。間隙氧（）：間隙氧是氧原子進(jìn)入晶格間隙位置形成的缺陷。間隙氧一般表現(xiàn)為受主缺陷，但由于其形成能較高，在晶體中的濃度較低。間隙氧對(duì)材料性能的影響相對(duì)較小，但在某些特定條件下，它可能與其他缺陷相互作用，從而改變材料的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。這些本征缺陷的存在，使得ZnO晶體的性能變得復(fù)雜多樣。在實(shí)際應(yīng)用中，深入理解本征缺陷的形成機(jī)制、濃度分布以及它們對(duì)材料性能的影響規(guī)律，對(duì)于優(yōu)化ZnO材料的性能、制備高質(zhì)量的ZnO基器件具有重要意義。通過(guò)精確控制本征缺陷的濃度和分布，可以有效調(diào)節(jié)ZnO材料的電學(xué)、光學(xué)等性能，滿足不同領(lǐng)域?qū)nO材料的需求。2.2二維ZnO表面的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)2.2.1基本結(jié)構(gòu)二維ZnO表面通常呈現(xiàn)出與三維體相不同的原子結(jié)構(gòu)，這種差異主要源于表面原子所處的環(huán)境變化。在二維ZnO表面，原子的配位情況發(fā)生改變，表面原子的懸鍵增多，導(dǎo)致表面具有較高的活性。為了降低表面能，二維ZnO表面往往會(huì)發(fā)生重構(gòu)現(xiàn)象，重構(gòu)后的表面原子排列方式更加穩(wěn)定。一種常見(jiàn)的二維ZnO表面重構(gòu)方式是表面原子的弛豫和重排。在這種重構(gòu)過(guò)程中，表面原子會(huì)沿著垂直于表面的方向發(fā)生位移，使得表面原子層的間距與體相原子層間距不同。例如，表面的鋅原子和氧原子可能會(huì)相互靠近或遠(yuǎn)離，形成新的原子間距離和鍵角，從而改變表面的電子云分布和電荷密度。這種原子位移和重排有助于減少表面的懸空鍵，降低表面能，提高表面的穩(wěn)定性。除了原子弛豫和重排，二維ZnO表面還可能形成復(fù)雜的重構(gòu)結(jié)構(gòu)，如表面原子的吸附和脫附、表面原子的團(tuán)聚等。當(dāng)外界原子或分子吸附在二維ZnO表面時(shí)，會(huì)與表面原子發(fā)生相互作用，改變表面的原子排列和電子結(jié)構(gòu)。某些金屬原子吸附在二維ZnO表面后，可能會(huì)與表面的鋅原子或氧原子形成化學(xué)鍵，導(dǎo)致表面原子的重新排列，形成新的表面結(jié)構(gòu)。這種表面重構(gòu)現(xiàn)象不僅影響二維ZnO表面的物理性質(zhì)，還對(duì)其化學(xué)活性和催化性能產(chǎn)生重要影響。2.2.2基本性質(zhì)電學(xué)性質(zhì)：二維ZnO表面的電學(xué)性質(zhì)與體相相比存在顯著差異。由于量子限域效應(yīng)和表面態(tài)的存在，二維ZnO表面的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致其電學(xué)性質(zhì)的改變。量子限域效應(yīng)使得電子在二維平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)受到限制，電子的能級(jí)變得離散化，從而影響了電子的輸運(yùn)和導(dǎo)電性能。二維ZnO表面存在大量的表面態(tài)，這些表面態(tài)可以作為電子的陷阱或散射中心，影響電子的遷移率和電導(dǎo)率。表面態(tài)的存在還可能導(dǎo)致二維ZnO表面出現(xiàn)額外的電荷分布，形成表面電場(chǎng)，進(jìn)一步影響電子的運(yùn)動(dòng)和材料的電學(xué)性質(zhì)。光學(xué)性質(zhì)：二維ZnO表面的光學(xué)性質(zhì)也與體相有所不同。由于表面原子的特殊排列和電子結(jié)構(gòu)，二維ZnO表面在光吸收和發(fā)射方面表現(xiàn)出獨(dú)特的性質(zhì)。在光吸收方面，二維ZnO表面可能出現(xiàn)與體相不同的吸收峰，這是由于表面態(tài)和量子限域效應(yīng)導(dǎo)致的電子躍遷能級(jí)變化。某些表面態(tài)可以吸收特定波長(zhǎng)的光，使得二維ZnO表面在該波長(zhǎng)處出現(xiàn)吸收峰。在光發(fā)射方面，二維ZnO表面的激子復(fù)合過(guò)程可能受到表面態(tài)的影響，導(dǎo)致發(fā)光效率和發(fā)光波長(zhǎng)的改變。表面態(tài)可以捕獲激子，使得激子在表面發(fā)生復(fù)合，從而影響發(fā)光效率和發(fā)光波長(zhǎng)。二維ZnO表面的光學(xué)性質(zhì)使其在光電器件，如光電探測(cè)器、發(fā)光二極管等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。2.3一維ZnO納米體系的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)2.3.1基本結(jié)構(gòu)一維ZnO納米體系主要包括納米線和納米棒等結(jié)構(gòu)。ZnO納米線通常具有高度的結(jié)晶性，其結(jié)構(gòu)沿一維方向呈線狀延伸，直徑一般在納米尺度范圍內(nèi)，從幾納米到幾百納米不等。在原子層面，ZnO納米線的原子排列與三維纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO晶體具有一定的相似性，但由于納米線的一維特性，其表面原子的比例相對(duì)較高，導(dǎo)致表面效應(yīng)顯著增強(qiáng)。納米線的表面原子存在較多的懸空鍵，這些懸空鍵使得表面原子具有較高的活性，容易與外界原子或分子發(fā)生相互作用。ZnO納米棒則是一種具有柱狀結(jié)構(gòu)的一維納米材料，其直徑相對(duì)較粗，長(zhǎng)度與直徑之比通常較大。納米棒的生長(zhǎng)方向通常沿著晶體的特定晶軸，如[0001]方向。在生長(zhǎng)過(guò)程中，納米棒的晶體結(jié)構(gòu)逐漸形成，原子按照特定的排列方式堆積，形成穩(wěn)定的柱狀結(jié)構(gòu)。納米棒的表面同樣存在著表面效應(yīng)，表面原子的配位情況與內(nèi)部原子不同，導(dǎo)致表面原子的電子云分布和化學(xué)活性發(fā)生改變。與納米線相比，納米棒的表面相對(duì)較為平滑，但在高分辨率顯微鏡下仍可觀察到表面的原子臺(tái)階和缺陷等微觀結(jié)構(gòu)。這些微觀結(jié)構(gòu)對(duì)納米棒的物理和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生重要影響，如影響納米棒的光學(xué)吸收和發(fā)射特性、電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)以及催化活性等。2.3.2基本性質(zhì)量子限域效應(yīng)：一維ZnO納米體系由于其在橫向尺寸上的納米尺度限制，會(huì)產(chǎn)生顯著的量子限域效應(yīng)。在這種效應(yīng)下，電子在納米線或納米棒的橫向方向上的運(yùn)動(dòng)受到限制，其能級(jí)發(fā)生離散化，形成類似于量子化的能級(jí)結(jié)構(gòu)。這種量子化的能級(jí)結(jié)構(gòu)使得一維ZnO納米體系在光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)出與體相材料不同的特性。在光學(xué)方面，量子限域效應(yīng)導(dǎo)致納米體系的激子束縛能增強(qiáng)，激子的復(fù)合發(fā)光效率提高。由于能級(jí)的離散化，納米體系的光吸收和發(fā)射光譜出現(xiàn)藍(lán)移現(xiàn)象，即吸收和發(fā)射波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。這種藍(lán)移現(xiàn)象與納米體系的尺寸密切相關(guān)，尺寸越小，藍(lán)移程度越大。在電學(xué)方面，量子限域效應(yīng)會(huì)影響電子的輸運(yùn)性質(zhì)，使得電子的遷移率降低，電導(dǎo)率發(fā)生變化。由于能級(jí)的離散化，電子在納米體系中的散射概率增加，導(dǎo)致電子的遷移率下降。量子限域效應(yīng)還可能導(dǎo)致納米體系的電學(xué)性能出現(xiàn)尺寸依賴的非線性變化，為其在電子器件中的應(yīng)用帶來(lái)新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。載流子輸運(yùn)特性：一維ZnO納米體系的載流子輸運(yùn)特性對(duì)于其在電子器件中的應(yīng)用至關(guān)重要。在納米線和納米棒中，載流子（電子和空穴）的輸運(yùn)受到多種因素的影響，包括晶體結(jié)構(gòu)、表面態(tài)、雜質(zhì)和缺陷等。由于表面效應(yīng)的存在，一維ZnO納米體系的表面態(tài)對(duì)載流子輸運(yùn)有著顯著影響。表面態(tài)可以作為載流子的陷阱或散射中心，捕獲或散射載流子，從而影響載流子的遷移率和壽命。表面的懸空鍵和缺陷等會(huì)形成表面態(tài)，這些表面態(tài)可以與載流子發(fā)生相互作用，改變載流子的運(yùn)動(dòng)軌跡和能量狀態(tài)。雜質(zhì)和缺陷也會(huì)對(duì)載流子輸運(yùn)產(chǎn)生影響。雜質(zhì)原子的引入可能會(huì)改變納米體系的電子結(jié)構(gòu)，形成新的能級(jí)，影響載流子的濃度和遷移率。例如，施主雜質(zhì)可以提供額外的電子，增加載流子濃度；而受主雜質(zhì)則可以捕獲電子，形成空穴，改變載流子的類型和濃度。缺陷如位錯(cuò)、空位等則會(huì)散射載流子，降低載流子的遷移率。一維ZnO納米體系的載流子輸運(yùn)特性還受到溫度和外加電場(chǎng)等外部條件的影響。在不同的溫度下，載流子的散射機(jī)制會(huì)發(fā)生變化，從而影響載流子的遷移率和電導(dǎo)率。外加電場(chǎng)可以改變載流子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，影響載流子的輸運(yùn)方向和速度。在高電場(chǎng)下，載流子可能會(huì)發(fā)生碰撞電離等現(xiàn)象，導(dǎo)致載流子濃度和輸運(yùn)特性發(fā)生變化。三、理論基礎(chǔ)與研究方法3.1密度泛函理論3.1.1絕熱近似和Hartree-Fock近似在研究多粒子體系的量子力學(xué)問(wèn)題時(shí)，絕熱近似和Hartree-Fock近似是兩個(gè)重要的概念，它們?yōu)槊芏确汉碚摰陌l(fā)展奠定了基礎(chǔ)。絕熱近似，也被稱為Born-Oppenheimer近似，其核心思想基于原子核與電子的質(zhì)量差異。由于原子核的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子質(zhì)量，在處理體系的運(yùn)動(dòng)時(shí)，可將原子核的運(yùn)動(dòng)和電子的運(yùn)動(dòng)分開(kāi)考慮。在電子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間尺度內(nèi)，原子核可近似看作固定不動(dòng)。這一近似將多粒子系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為多電子系統(tǒng)，使得問(wèn)題的處理得以簡(jiǎn)化。從數(shù)學(xué)角度來(lái)看，在求解體系的薛定諤方程時(shí)，可將總哈密頓量分解為電子哈密頓量和原子核哈密頓量?jī)刹糠?，分別進(jìn)行求解。在計(jì)算分子的電子結(jié)構(gòu)時(shí)，可先固定原子核的位置，求解電子的波函數(shù)和能量，然后再考慮原子核的運(yùn)動(dòng)。絕熱近似在許多情況下是合理的，因?yàn)殡娮拥倪\(yùn)動(dòng)速度比原子核快得多，電子能夠迅速適應(yīng)原子核的緩慢變化。但在一些特殊情況下，如涉及到原子核的振動(dòng)與電子態(tài)的耦合等問(wèn)題時(shí)，絕熱近似的精度可能會(huì)受到影響。Hartree-Fock近似則是將多電子問(wèn)題簡(jiǎn)化為以單電子波函數(shù)為基本變量的單粒子問(wèn)題。在多電子體系中，電子之間存在著復(fù)雜的相互作用，這使得直接求解薛定諤方程變得極為困難。Hartree-Fock近似通過(guò)自洽場(chǎng)迭代的方法，將多電子體系的波函數(shù)表示為單電子波函數(shù)的乘積形式。假設(shè)體系中有N個(gè)電子，總波函數(shù)可以近似表示為\Psi(\vec{r}_1,\vec{r}_2,\cdots,\vec{r}_N)=\prod_{i=1}^{N}\psi_i(\vec{r}_i)，其中\(zhòng)psi_i(\vec{r}_i)為第i個(gè)電子的單電子波函數(shù)。在這個(gè)近似中，考慮了電子間的交換相互作用，但忽略了電子間的關(guān)聯(lián)相互作用。通過(guò)自洽場(chǎng)迭代，不斷調(diào)整單電子波函數(shù)，使得體系的總能量達(dá)到最小。在迭代過(guò)程中，每個(gè)電子都被視為在其他電子產(chǎn)生的平均場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。Hartree-Fock近似在處理一些簡(jiǎn)單的分子和原子體系時(shí)取得了一定的成功，但對(duì)于電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)較強(qiáng)的體系，其結(jié)果的準(zhǔn)確性會(huì)受到限制。因?yàn)樗鼪](méi)有考慮到電子之間的瞬時(shí)相互作用，而這種相互作用在某些情況下對(duì)體系的性質(zhì)有著重要影響。3.1.2密度泛函理論基礎(chǔ)密度泛函理論（DFT）是一種研究多電子體系電子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)方法，它在Hartree-Fock近似的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮了交換能和關(guān)聯(lián)能，更加準(zhǔn)確地描述了多電子系統(tǒng)。密度泛函理論的核心是Hohenberg-Kohn理論，該理論為密度泛函理論提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。Hohenberg-Kohn第一定理指出，對(duì)于一個(gè)處在外部靜電勢(shì)V_{ext}(\vec{r})中的多電子體系，其基態(tài)能量E_0是電子密度\rho(\vec{r})的唯一泛函。這意味著，只要確定了電子密度\rho(\vec{r})，就可以確定體系的基態(tài)能量以及其他所有基態(tài)性質(zhì)。與傳統(tǒng)的基于多電子波函數(shù)的方法不同，密度泛函理論以電子密度作為基本變量，而電子密度僅是三個(gè)空間變量的函數(shù)，相比于多電子波函數(shù)的3N個(gè)變量（N為電子數(shù)，每個(gè)電子包含三個(gè)空間變量），在概念和實(shí)際處理上都更加方便。在研究固體材料的電子結(jié)構(gòu)時(shí)，不需要像傳統(tǒng)方法那樣處理復(fù)雜的多電子波函數(shù)，而是通過(guò)電子密度就可以獲取體系的許多重要性質(zhì)。Hohenberg-Kohn第二定理則表明，對(duì)于給定的外部勢(shì)V_{ext}(\vec{r})，體系基態(tài)能量E_0是電子密度泛函E[\rho]的最小值。當(dāng)電子密度取到使能量泛函最小的特定值時(shí)，就得到了體系的基態(tài)能量。這一定理將復(fù)雜的多體波函數(shù)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為了泛函最小化問(wèn)題，大大簡(jiǎn)化了問(wèn)題的復(fù)雜度。在實(shí)際計(jì)算中，可以通過(guò)各種數(shù)值方法來(lái)尋找使能量泛函最小的電子密度?；贖ohenberg-Kohn理論，Kohn和Sham提出了Kohn-Sham方程，將多體問(wèn)題進(jìn)一步簡(jiǎn)化為單電子問(wèn)題。Kohn-Sham方程通過(guò)引入一個(gè)假設(shè)的無(wú)相互作用的參考系統(tǒng)，用電子密度代替波函數(shù)，從而得到了一組單電子方程。通過(guò)求解這組方程，可以得到體系的電子密度和基態(tài)能量。Kohn-Sham方程的提出，使得密度泛函理論在實(shí)際計(jì)算中得以廣泛應(yīng)用，成為現(xiàn)代材料科學(xué)和計(jì)算化學(xué)中研究電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的重要工具。3.1.3Kohn-Sham方程Kohn-Sham方程是密度泛函理論應(yīng)用的關(guān)鍵，它將復(fù)雜的多體問(wèn)題巧妙地簡(jiǎn)化為單電子問(wèn)題，為實(shí)際計(jì)算提供了可行的途徑。其推導(dǎo)過(guò)程基于Hohenberg-Kohn理論，核心在于構(gòu)建一個(gè)無(wú)相互作用的參考系統(tǒng)來(lái)等效真實(shí)的多電子體系。對(duì)于一個(gè)包含N個(gè)電子的多電子體系，其總能量可以表示為動(dòng)能項(xiàng)T、電子與外部勢(shì)的相互作用能V_{ext}、電子-電子相互作用的庫(kù)侖能V_{ee}以及交換關(guān)聯(lián)能E_{xc}之和，即E=T+V_{ext}+V_{ee}+E_{xc}。在Kohn-Sham方法中，引入一個(gè)假設(shè)的無(wú)相互作用的參考系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的電子在一個(gè)有效勢(shì)場(chǎng)V_{eff}中運(yùn)動(dòng)。這個(gè)有效勢(shì)場(chǎng)V_{eff}包含了外部勢(shì)V_{ext}、電子間庫(kù)侖相互作用的Hartree勢(shì)V_{H}以及交換關(guān)聯(lián)勢(shì)V_{xc}?；谏鲜黾僭O(shè)，Kohn-Sham方程的形式為\left[-\frac{\hbar^2}{2m}\nabla^2+V_{ext}(\vec{r})+V_{H}(\vec{r})+V_{xc}(\vec{r})\right]\phi_i(\vec{r})=\epsilon_i\phi_i(\vec{r})，其中\(zhòng)phi_i(\vec{r})是Kohn-Sham軌道，代表第i個(gè)單電子的波函數(shù)，\epsilon_i是相應(yīng)的單電子能級(jí)。電子密度\rho(\vec{r})可以通過(guò)Kohn-Sham軌道表示為\rho(\vec{r})=\sum_{i=1}^{N}|\phi_i(\vec{r})|^2。從物理意義上看，Kohn-Sham方程中的第一項(xiàng)-\frac{\hbar^2}{2m}\nabla^2表示電子的動(dòng)能，它描述了電子在空間中的運(yùn)動(dòng)能力。第二項(xiàng)V_{ext}(\vec{r})是外部勢(shì)，由原子核的電荷分布產(chǎn)生，決定了電子受到的外部束縛。第三項(xiàng)V_{H}(\vec{r})是Hartree勢(shì)，它考慮了電子之間的經(jīng)典庫(kù)侖相互作用，是電子密度\rho(\vec{r})的泛函，可表示為V_{H}(\vec{r})=e^2\int\frac{\rho(\vec{r}')}{|\vec{r}-\vec{r}'|}d\vec{r}'，其中e是電子電荷。第四項(xiàng)V_{xc}(\vec{r})是交換關(guān)聯(lián)勢(shì)，它描述了由于電子間的交換和關(guān)聯(lián)效應(yīng)而產(chǎn)生的非經(jīng)典相互作用，這是Kohn-Sham方程中最難精確處理的部分，目前沒(méi)有精確的解析表達(dá)式，需要通過(guò)各種近似方法來(lái)描述。通過(guò)求解Kohn-Sham方程，可以得到體系的電子密度和單電子能級(jí)，進(jìn)而計(jì)算出體系的總能量和其他物理性質(zhì)。在實(shí)際計(jì)算中，通常采用自洽場(chǎng)迭代的方法來(lái)求解Kohn-Sham方程。首先猜測(cè)一個(gè)初始的電子密度，然后根據(jù)Kohn-Sham方程計(jì)算出單電子波函數(shù)和能級(jí)，再由這些波函數(shù)計(jì)算出新的電子密度。將新的電子密度與上一次迭代的結(jié)果進(jìn)行比較，如果兩者的差異小于某個(gè)設(shè)定的收斂標(biāo)準(zhǔn)，則認(rèn)為計(jì)算達(dá)到自洽，得到了體系的基態(tài)解；否則，用新的電子密度重新計(jì)算，直到滿足收斂條件為止。3.1.4交換關(guān)聯(lián)能量泛函交換關(guān)聯(lián)能量泛函在密度泛函理論中起著至關(guān)重要的作用，它描述了電子間由于交換和關(guān)聯(lián)效應(yīng)而產(chǎn)生的相互作用。由于目前沒(méi)有精確求解交換關(guān)聯(lián)能E_{xc}的方法，因此需要通過(guò)各種近似來(lái)逼近其精確值。局域密度近似（LDA）和廣義梯度近似（GGA）是兩種常見(jiàn)的交換關(guān)聯(lián)能量泛函近似方法。局域密度近似（LDA）是最早提出且最簡(jiǎn)單的交換關(guān)聯(lián)泛函形式。其基本假設(shè)是電子密度在空間中是均勻分布的，用均勻電子氣模型來(lái)計(jì)算交換關(guān)聯(lián)能。在LDA中，交換關(guān)聯(lián)能E_{xc}^{LDA}可以表示為E_{xc}^{LDA}[\rho]=\int\rho(\vec{r})\epsilon_{xc}(\rho(\vec{r}))d\vec{r}，其中\(zhòng)epsilon_{xc}(\rho(\vec{r}))是局域的交換關(guān)聯(lián)能密度，它只與電子密度\rho(\vec{r})在該點(diǎn)的值有關(guān)。對(duì)于一些電子密度變化較為緩慢的體系，如金屬中的自由電子氣，LDA能夠給出較為合理的結(jié)果。因?yàn)樵谶@種情況下，均勻電子氣模型的假設(shè)與實(shí)際情況較為接近。但在電子密度高度不均勻的區(qū)域，LDA會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。在分子和半導(dǎo)體材料中，電子密度在原子核附近和原子間區(qū)域變化劇烈，LDA可能會(huì)低估交換關(guān)聯(lián)能，導(dǎo)致計(jì)算得到的能帶寬度過(guò)大、晶格常數(shù)不準(zhǔn)確等問(wèn)題。廣義梯度近似（GGA）在LDA的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，考慮了電子密度的空間梯度。GGA泛函認(rèn)識(shí)到電子密度的變化率對(duì)交換關(guān)聯(lián)能也有重要影響，因此在計(jì)算交換關(guān)聯(lián)能時(shí)，不僅考慮電子密度\rho(\vec{r})，還考慮了電子密度的梯度\nabla\rho(\vec{r})。GGA泛函的一般形式為E_{xc}^{GGA}[\rho]=\int\rho(\vec{r})\epsilon_{xc}(\rho(\vec{r}),\nabla\rho(\vec{r}))d\vec{r}。相比于LDA，GGA能更好地描述電子密度變化較快的區(qū)域，對(duì)于許多材料而言，GGA泛函能夠提供更精確的結(jié)果。在半導(dǎo)體和絕緣體材料的計(jì)算中，GGA通常能更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)能帶結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)等性質(zhì)。GGA也并非完美無(wú)缺，對(duì)于一些特殊體系，如存在強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)的材料，GGA的描述能力仍然有限。除了LDA和GGA，還有其他一些交換關(guān)聯(lián)能量泛函，如雜化泛函。雜化泛函結(jié)合了Hartree-Fock交換和DFT交換關(guān)聯(lián)泛函，通過(guò)調(diào)整兩種方法的混合比例，可以得到介于Hartree-Fock和DFT之間的交換關(guān)聯(lián)泛函。這種方法能給出非常準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)，但計(jì)算成本較高。經(jīng)驗(yàn)泛函則基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或已知的物理關(guān)系，構(gòu)造泛函以提高特定材料或性質(zhì)的計(jì)算精度。不同的交換關(guān)聯(lián)能量泛函各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體體系的特點(diǎn)和計(jì)算需求選擇合適的泛函。3.2基于密度泛函理論的計(jì)算程序包在本研究中，采用了ViennaAbinitioSimulationPackage（VASP）這一基于密度泛函理論的計(jì)算程序包，對(duì)低維氧化鋅體系的p型摻雜和外場(chǎng)調(diào)控進(jìn)行深入研究。VASP作為一款在材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的商用軟件，具備強(qiáng)大的功能和顯著的優(yōu)勢(shì)。從功能層面來(lái)看，VASP支持多種材料體系的計(jì)算，涵蓋晶體、表面、分子以及缺陷等。在低維氧化鋅體系研究中，無(wú)論是二維ZnO表面的原子結(jié)構(gòu)與電子性質(zhì)，還是一維ZnO納米線、納米棒的量子限域效應(yīng)和載流子輸運(yùn)特性，VASP都能夠進(jìn)行精確模擬。通過(guò)VASP，能夠計(jì)算體系的電子結(jié)構(gòu)，包括能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度等，從而深入了解p型摻雜和外場(chǎng)調(diào)控對(duì)低維氧化鋅體系電子態(tài)的影響。在研究p型摻雜時(shí)，可以利用VASP計(jì)算不同摻雜元素和濃度下體系的能帶結(jié)構(gòu)變化，分析摻雜劑與氧化鋅晶格的相互作用，確定摻雜體系的電學(xué)性質(zhì)。VASP還可進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過(guò)調(diào)整原子坐標(biāo)和晶格參數(shù)，使體系能量達(dá)到最小，得到最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。在研究外場(chǎng)調(diào)控時(shí)，能夠模擬電場(chǎng)、磁場(chǎng)作用下低維氧化鋅體系的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)變化。在電場(chǎng)調(diào)控模擬中，VASP可以計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度和方向?qū)w系載流子遷移率、電導(dǎo)率以及光學(xué)吸收等性質(zhì)的影響，為揭示電場(chǎng)調(diào)控的微觀物理機(jī)制提供數(shù)據(jù)支持。VASP的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在多個(gè)方面。在計(jì)算效率上，VASP采用了高效的算法，結(jié)合平面波基組和贗勢(shì)或投影增強(qiáng)波方法（PAW）來(lái)描述電子狀態(tài)，能夠快速且準(zhǔn)確地計(jì)算體系的能量和波函數(shù)。在處理大規(guī)模原子體系時(shí)，其并行計(jì)算能力能夠充分利用計(jì)算資源，大大縮短計(jì)算時(shí)間，提高研究效率。在計(jì)算精度方面，VASP提供了多種交換關(guān)聯(lián)泛函選項(xiàng)，如局域密度近似（LDA）、廣義梯度近似（GGA）以及雜化泛函等。研究人員可以根據(jù)具體體系的特點(diǎn)和計(jì)算需求選擇合適的泛函，以獲得高精度的計(jì)算結(jié)果。對(duì)于低維氧化鋅體系，GGA泛函通常能更好地描述電子密度變化較快的區(qū)域，從而更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)體系的能帶結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)等性質(zhì)。VASP還具備良好的擴(kuò)展性和靈活性，能夠方便地與其他軟件和工具進(jìn)行集成和聯(lián)用。它支持多種輸入輸出格式，便于與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和分析。用戶可以根據(jù)自己的研究需求，通過(guò)編寫(xiě)腳本或使用插件等方式，對(duì)VASP進(jìn)行定制化開(kāi)發(fā)，滿足特定的計(jì)算需求。四、低維氧化鋅體系的p型摻雜理論研究4.1嵌入型摻雜理論模型建立4.1.1模型假設(shè)與構(gòu)建在構(gòu)建嵌入型摻雜理論模型時(shí)，首先做出以下關(guān)鍵假設(shè)。假設(shè)摻雜原子能夠以替代或間隙的方式嵌入到低維氧化鋅體系的晶格中，且在嵌入過(guò)程中，體系的整體晶體結(jié)構(gòu)保持相對(duì)穩(wěn)定。這意味著摻雜原子的引入不會(huì)導(dǎo)致晶格發(fā)生嚴(yán)重的畸變或破壞，僅在局部范圍內(nèi)對(duì)原子間的相互作用和電子云分布產(chǎn)生影響。以氧化鋅納米線為例，構(gòu)建具體的模型。選取一段具有代表性的氧化鋅納米線，其原子結(jié)構(gòu)基于纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO晶體。在模型中，明確摻雜原子的位置。若為替代摻雜，讓摻雜原子取代納米線晶格中的鋅原子或氧原子；若為間隙摻雜，則將摻雜原子放置在晶格間隙位置。在考慮氟摻雜氧化鋅納米線時(shí)，假設(shè)氟原子替代部分氧原子的位置。由于氟原子的電負(fù)性比氧原子大，其外層電子云分布與氧原子不同，這將導(dǎo)致局部電子云的重新分布。在模型構(gòu)建過(guò)程中，充分考慮摻雜原子與周圍氧化鋅原子之間的相互作用。這種相互作用包括化學(xué)鍵的形成、電荷轉(zhuǎn)移以及電子云的重疊等。從化學(xué)鍵角度來(lái)看，摻雜原子與周圍原子形成的化學(xué)鍵類型和強(qiáng)度會(huì)影響體系的穩(wěn)定性和電子結(jié)構(gòu)。氟原子與鋅原子形成的化學(xué)鍵可能具有不同的鍵長(zhǎng)和鍵能，從而改變納米線的局部結(jié)構(gòu)和電子態(tài)。電荷轉(zhuǎn)移也是重要的考慮因素，摻雜原子與周圍原子之間的電荷轉(zhuǎn)移會(huì)導(dǎo)致體系中電荷分布的變化，進(jìn)而影響載流子的產(chǎn)生和輸運(yùn)。通過(guò)精確考慮這些因素，能夠構(gòu)建出更符合實(shí)際情況的嵌入型摻雜理論模型。4.1.2參數(shù)推導(dǎo)與分析在嵌入型摻雜理論模型的框架下，通過(guò)基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算，對(duì)p型摻雜所需的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)。首先，推導(dǎo)電荷載流子類型。在低維氧化鋅體系中，當(dāng)引入受主摻雜原子時(shí)，受主原子會(huì)捕獲電子，從而產(chǎn)生空穴載流子。以氮摻雜為例，氮原子的外層電子結(jié)構(gòu)與氧原子不同，其具有更強(qiáng)的得電子能力。當(dāng)?shù)犹娲趸\晶格中的氧原子后，氮原子會(huì)從周圍原子中捕獲電子，形成帶正電的空穴。這種空穴作為p型載流子，參與材料的電學(xué)輸運(yùn)過(guò)程。接著，推導(dǎo)電荷載流子數(shù)量。電荷載流子數(shù)量與摻雜濃度密切相關(guān)。通過(guò)計(jì)算不同摻雜濃度下體系的電子結(jié)構(gòu)和電荷分布，能夠確定空穴載流子的濃度。在一定的摻雜濃度范圍內(nèi)，隨著摻雜原子數(shù)量的增加，空穴載流子濃度呈線性增加。但當(dāng)摻雜濃度超過(guò)一定閾值時(shí)，由于受主原子之間的相互作用以及與本征缺陷的復(fù)合等因素，空穴載流子濃度的增加趨勢(shì)可能會(huì)變緩。這是因?yàn)楦邼舛葥诫s會(huì)導(dǎo)致受主原子之間的距離減小，它們之間可能會(huì)形成團(tuán)簇或復(fù)合中心，從而降低了有效受主的數(shù)量，影響空穴載流子的產(chǎn)生?；罨苁莗型摻雜中的另一個(gè)重要參數(shù)。活化能是指受主原子捕獲電子形成空穴載流子所需克服的能量障礙。通過(guò)計(jì)算體系在不同狀態(tài)下的能量，能夠得到活化能的數(shù)值。在低維氧化鋅體系中，活化能的大小受到多種因素的影響，包括摻雜原子與周圍原子的化學(xué)鍵強(qiáng)度、電子云的重疊程度以及晶格畸變等。化學(xué)鍵強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)，受主原子捕獲電子需要克服更大的能量障礙，活化能相應(yīng)增加；晶格畸變會(huì)改變?cè)娱g的距離和電子云分布，也會(huì)對(duì)活化能產(chǎn)生影響。從物理意義上分析，電荷載流子類型決定了材料的導(dǎo)電類型，p型載流子的存在使得材料具有空穴導(dǎo)電的特性，這對(duì)于構(gòu)建p-n結(jié)等器件至關(guān)重要。電荷載流子數(shù)量直接影響材料的電導(dǎo)率，較高的載流子濃度通常會(huì)導(dǎo)致較高的電導(dǎo)率，但同時(shí)也需要考慮載流子的遷移率等因素對(duì)電導(dǎo)率的綜合影響?；罨軇t反映了p型摻雜的難易程度，活化能越低，受主原子越容易捕獲電子形成空穴載流子，p型摻雜效果越好。因此，在實(shí)際的p型摻雜研究中，降低活化能是提高p型摻雜效率的關(guān)鍵之一。4.1.3數(shù)值模擬驗(yàn)證為了驗(yàn)證嵌入型摻雜理論模型的正確性和可靠性，利用基于密度泛函理論的數(shù)值模擬方法進(jìn)行深入分析。在模擬過(guò)程中，采用VASP軟件包，通過(guò)精確設(shè)置計(jì)算參數(shù)，對(duì)不同摻雜體系進(jìn)行全面模擬。以銅摻雜氧化鋅納米線為例，在模擬中，細(xì)致考慮銅原子的摻雜位置、摻雜濃度以及與周圍原子的相互作用。首先，設(shè)定不同的銅原子摻雜濃度，從低濃度到高濃度逐步變化，分別計(jì)算每個(gè)濃度下體系的電子結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)以及態(tài)密度等關(guān)鍵物理量。在計(jì)算電子結(jié)構(gòu)時(shí)，通過(guò)求解Kohn-Sham方程，得到體系中電子的波函數(shù)和能級(jí)分布，從而確定電子在不同能級(jí)上的占據(jù)情況。對(duì)于能帶結(jié)構(gòu)，分析摻雜前后能帶的變化，觀察是否出現(xiàn)新的能級(jí)以及能帶的展寬或收縮情況。態(tài)密度的計(jì)算則能夠直觀地反映出不同能量區(qū)間內(nèi)電子的分布狀態(tài)。將模擬結(jié)果與已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)霍爾效應(yīng)測(cè)量、光致發(fā)光光譜等技術(shù)手段，能夠獲得銅摻雜氧化鋅納米線的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)。將模擬得到的載流子濃度與霍爾效應(yīng)測(cè)量得到的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比。如果模擬值與實(shí)驗(yàn)值在誤差范圍內(nèi)吻合，說(shuō)明理論模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)摻雜體系的載流子濃度變化。對(duì)比模擬的光致發(fā)光光譜與實(shí)驗(yàn)光譜。光致發(fā)光光譜能夠反映材料中電子躍遷的情況，通過(guò)對(duì)比兩者的峰位和強(qiáng)度等特征，可以驗(yàn)證理論模型對(duì)電子態(tài)和能級(jí)變化的描述是否準(zhǔn)確。除了與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，還對(duì)不同摻雜體系的模擬結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)分析。研究摻雜濃度對(duì)載流子濃度和遷移率的影響規(guī)律。隨著摻雜濃度的增加，載流子濃度理論上會(huì)增加，但遷移率可能會(huì)因?yàn)殡s質(zhì)散射等因素而降低。通過(guò)模擬結(jié)果分析這種變化趨勢(shì)是否符合物理規(guī)律。分析摻雜位置對(duì)體系性能的影響。不同的摻雜位置會(huì)導(dǎo)致?lián)诫s原子與周圍原子的相互作用不同，從而影響體系的電子結(jié)構(gòu)和性能。通過(guò)模擬不同摻雜位置下體系的性能變化，驗(yàn)證理論模型對(duì)摻雜位置效應(yīng)的描述能力。通過(guò)以上數(shù)值模擬驗(yàn)證過(guò)程，能夠全面評(píng)估嵌入型摻雜理論模型的準(zhǔn)確性和可靠性，為低維氧化鋅體系的p型摻雜研究提供堅(jiān)實(shí)的理論支持。4.2單摻雜的研究4.2.1摻雜劑選擇在低維氧化鋅體系的單摻雜研究中，摻雜劑的選擇至關(guān)重要，其直接決定了摻雜后體系的性能變化。本研究選取氮（N）和鋰（Li）作為代表性的單摻雜劑，這一選擇基于多方面的考慮。從元素的電子結(jié)構(gòu)來(lái)看，氮原子的外層電子構(gòu)型為2s^{2}2p^{3}，當(dāng)?shù)犹娲趸\晶格中的氧原子時(shí)，由于其比氧原子多一個(gè)價(jià)電子，在形成化學(xué)鍵時(shí)，會(huì)引入一個(gè)額外的空穴，從而有望實(shí)現(xiàn)p型摻雜。氮的原子半徑與氧原子較為接近，在摻雜過(guò)程中，能夠較好地融入氧化鋅晶格，減少晶格畸變，保證體系的穩(wěn)定性。相關(guān)研究表明，氮摻雜氧化鋅在理論上具有較低的形成能，這意味著在一定條件下，氮原子更容易進(jìn)入氧化鋅晶格，形成穩(wěn)定的摻雜結(jié)構(gòu)。鋰原子的外層電子構(gòu)型為2s^{1}，當(dāng)鋰原子作為間隙原子摻入氧化鋅體系時(shí)，它傾向于失去一個(gè)電子，成為帶正電的離子，從而在體系中留下一個(gè)空穴。鋰原子半徑較小，在晶格間隙中具有較好的遷移性，能夠相對(duì)容易地?cái)U(kuò)散到合適的位置，實(shí)現(xiàn)有效的摻雜。而且，鋰的化學(xué)活性較高，能夠與氧化鋅晶格中的原子發(fā)生較強(qiáng)的相互作用，這種相互作用有助于改變體系的電子結(jié)構(gòu)，提高空穴的濃度和遷移率。一些實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，鋰摻雜氧化鋅在特定的制備條件下，能夠顯著提高材料的p型導(dǎo)電性，為其在光電器件中的應(yīng)用提供了可能。4.2.2摻雜過(guò)程模擬利用基于密度泛函理論的VASP軟件，對(duì)氮和鋰在低維氧化鋅體系中的摻雜過(guò)程進(jìn)行模擬。以氧化鋅納米線為例，構(gòu)建包含一定數(shù)量原子的超晶胞模型，通過(guò)精確控制摻雜原子的位置和數(shù)量，模擬不同的摻雜情況。在氮摻雜模擬中，將氮原子逐步替代超晶胞中的氧原子，從低摻雜濃度到高摻雜濃度進(jìn)行模擬。在模擬過(guò)程中，首先對(duì)未摻雜的氧化鋅納米線超晶胞進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使體系能量達(dá)到最低。然后，將氮原子引入超晶胞中，再次進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，計(jì)算體系的能量、原子間距離以及電子云分布等參數(shù)。隨著氮原子的摻入，體系的總能量會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)?shù)犹娲踉雍螅捎诘优c周圍鋅原子形成的化學(xué)鍵與氧-鋅鍵不同，會(huì)導(dǎo)致局部原子間距離和鍵角發(fā)生改變。氮-鋅鍵的鍵長(zhǎng)可能會(huì)略小于氧-鋅鍵的鍵長(zhǎng)，這是因?yàn)榈拥碾娯?fù)性比氧原子略小，對(duì)電子的吸引能力相對(duì)較弱，使得氮-鋅鍵中的電子云分布更加靠近鋅原子，從而導(dǎo)致鍵長(zhǎng)縮短。這種局部結(jié)構(gòu)的變化會(huì)進(jìn)一步影響體系的電子云分布，在氮原子周圍，電子云密度會(huì)發(fā)生重新分布，形成局域化的電子態(tài)，為p型導(dǎo)電提供空穴載流子。對(duì)于鋰摻雜模擬，將鋰原子放置在氧化鋅納米線超晶胞的晶格間隙位置。同樣先對(duì)未摻雜體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，再引入鋰原子并優(yōu)化結(jié)構(gòu)。鋰原子進(jìn)入晶格間隙后，會(huì)對(duì)周圍的晶格結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。由于鋰原子半徑較小，它會(huì)在晶格間隙中占據(jù)一定的空間，導(dǎo)致周圍原子發(fā)生微小的位移，以適應(yīng)鋰原子的存在。這種位移會(huì)改變?cè)娱g的相互作用和電子云分布。鋰原子與周圍的氧原子和鋅原子之間會(huì)產(chǎn)生靜電相互作用，使得周圍原子的電子云向鋰原子方向偏移，從而在體系中產(chǎn)生電荷分布的不均勻性，形成空穴載流子。通過(guò)模擬不同間隙位置的鋰摻雜，發(fā)現(xiàn)鋰原子在某些特定的間隙位置能夠更有效地產(chǎn)生空穴，且對(duì)晶格結(jié)構(gòu)的影響較小，這些位置通常是晶格中原子間距較大、空間相對(duì)寬松的區(qū)域。從穩(wěn)定性分析來(lái)看，氮摻雜體系在一定摻雜濃度范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定。隨著摻雜濃度的增加，氮原子之間的相互作用逐漸增強(qiáng)，可能會(huì)形成氮-氮團(tuán)簇，導(dǎo)致體系能量升高，穩(wěn)定性下降。而鋰摻雜體系中，鋰原子在晶格間隙中的穩(wěn)定性與間隙位置密切相關(guān)。在一些較穩(wěn)定的間隙位置，鋰原子能夠長(zhǎng)時(shí)間存在，不易發(fā)生遷移或脫溶；但在某些不穩(wěn)定位置，鋰原子可能會(huì)在外界條件（如溫度、電場(chǎng)等）的影響下發(fā)生遷移，甚至從晶格中脫離，從而影響摻雜效果和體系的穩(wěn)定性。4.2.3對(duì)光電性質(zhì)的影響通過(guò)理論計(jì)算和模擬，深入研究氮和鋰單摻雜對(duì)低維氧化鋅體系光電性質(zhì)的影響。在電學(xué)性質(zhì)方面，氮摻雜氧化鋅納米線的電導(dǎo)率隨著氮摻雜濃度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。在低摻雜濃度下，氮原子引入的空穴作為有效載流子，增加了體系的電導(dǎo)率。隨著摻雜濃度的進(jìn)一步提高，氮原子之間的相互作用增強(qiáng)，可能形成一些復(fù)合中心，導(dǎo)致空穴的復(fù)合概率增加，從而使電導(dǎo)率下降。通過(guò)計(jì)算體系的載流子遷移率發(fā)現(xiàn)，在低摻雜濃度時(shí)，由于氮原子的引入對(duì)晶格結(jié)構(gòu)的影響較小，載流子遷移率變化不大；但當(dāng)摻雜濃度較高時(shí)，晶格畸變加劇，載流子散射增強(qiáng)，遷移率顯著降低。鋰摻雜氧化鋅納米線的電導(dǎo)率變化趨勢(shì)與氮摻雜有所不同。鋰原子作為間隙摻雜劑，在低濃度時(shí)，能夠有效地提供空穴，使電導(dǎo)率明顯提高。隨著鋰摻雜濃度的增加，電導(dǎo)率持續(xù)上升，這是因?yàn)殇囋釉诰Ц耖g隙中相對(duì)較為穩(wěn)定，能夠不斷提供空穴載流子，且對(duì)晶格結(jié)構(gòu)的破壞相對(duì)較小。鋰摻雜對(duì)載流子遷移率的影響也較小，在一定摻雜濃度范圍內(nèi)，遷移率基本保持穩(wěn)定，這使得鋰摻雜氧化鋅在提高電導(dǎo)率的同時(shí)，能夠保持較好的電學(xué)性能。在光學(xué)性質(zhì)方面，氮摻雜會(huì)導(dǎo)致氧化鋅納米線的光學(xué)吸收光譜發(fā)生變化。在紫外光區(qū)域，氮摻雜體系的吸收峰出現(xiàn)藍(lán)移現(xiàn)象，這是由于氮原子的引入改變了體系的電子結(jié)構(gòu)，使得電子躍遷能級(jí)發(fā)生變化。氮原子的價(jià)電子與氧化鋅晶格中的電子相互作用，形成了新的能級(jí)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致吸收光子的能量增加，吸收峰向短波方向移動(dòng)。氮摻雜還可能在可見(jiàn)光區(qū)域引入一些新的吸收峰，這與氮原子形成的局域態(tài)有關(guān)。這些新的吸收峰可能會(huì)影響材料在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的光學(xué)性能，如影響材料的顏色和透光率等。鋰摻雜氧化鋅納米線的光學(xué)吸收光譜也呈現(xiàn)出獨(dú)特的變化。在紅外光區(qū)域，鋰摻雜體系的吸收強(qiáng)度增強(qiáng)，這是因?yàn)殇囋拥拇嬖诟淖兞梭w系中原子的振動(dòng)模式，導(dǎo)致紅外吸收特性發(fā)生變化。鋰原子與周圍原子之間的相互作用，使得晶格振動(dòng)的頻率和振幅發(fā)生改變，從而增強(qiáng)了對(duì)紅外光的吸收。鋰摻雜對(duì)紫外光區(qū)域的吸收影響較小，基本保持了氧化鋅原有的紫外吸收特性，這使得鋰摻雜氧化鋅在一些對(duì)紫外光吸收要求較高的應(yīng)用中，仍能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。4.3雙摻雜的研究4.3.1摻雜劑組合優(yōu)化在低維氧化鋅體系的雙摻雜研究中，摻雜劑組合的優(yōu)化是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本研究選擇氮-鋰（N-Li）和氟-銅（F-Cu）這兩組雙摻雜劑組合，基于多方面的考慮。從元素的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)出發(fā)，氮原子具有較強(qiáng)的得電子能力，當(dāng)它替代氧化鋅晶格中的氧原子時(shí)，能夠引入空穴，為實(shí)現(xiàn)p型摻雜提供基礎(chǔ)。鋰原子作為間隙原子，容易失去一個(gè)電子，在體系中留下空穴，對(duì)p型導(dǎo)電有積極作用。氮與鋰的組合，有望通過(guò)不同的摻雜方式協(xié)同作用，增強(qiáng)p型摻雜效果。氟原子的電負(fù)性較大，摻雜后會(huì)改變氧化鋅的電子云分布，而銅原子具有特殊的電子軌道結(jié)構(gòu)，能夠與氧化鋅晶格產(chǎn)生獨(dú)特的相互作用。氟-銅組合可能會(huì)在改變電子結(jié)構(gòu)的同時(shí)，影響載流子的遷移率和復(fù)合過(guò)程，從而對(duì)體系的光電性質(zhì)產(chǎn)生綜合影響。利用基于密度泛函理論的VASP軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)不同雙摻雜劑濃度和比例進(jìn)行系統(tǒng)研究。以氧化鋅納米線為例，構(gòu)建包含氮、鋰、氟、銅等摻雜原子的超晶胞模型。在N-Li雙摻雜模擬中，固定鋰原子的摻雜濃度，逐步改變氮原子的濃度，從低濃度到高濃度變化，計(jì)算每個(gè)濃度下體系的電子結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)以及態(tài)密度等物理量。在F-Cu雙摻雜模擬中，同樣固定一種摻雜原子的濃度，調(diào)整另一種原子的濃度，研究體系性質(zhì)的變化。通過(guò)這種方式，找到最佳的雙摻雜劑濃度和比例。當(dāng)?shù)优c鋰原子的濃度比例為某個(gè)特定值時(shí)，體系的空穴濃度達(dá)到最大值，且載流子遷移率保持在較高水平。這是因?yàn)樵谶@個(gè)比例下，氮原子引入的空穴與鋰原子產(chǎn)生的空穴相互協(xié)同，同時(shí)減少了雜質(zhì)散射等不利因素對(duì)載流子遷移率的影響。4.3.2協(xié)同效應(yīng)分析深入分析雙摻雜劑之間的協(xié)同效應(yīng)，對(duì)于理解低維氧化鋅體系的性能變化至關(guān)重要。在N-Li雙摻雜體系中，氮原子作為替代摻雜劑，在晶格中引入受主能級(jí)，而鋰原子作為間隙摻雜劑，通過(guò)失去電子增加空穴濃度。兩者之間存在協(xié)同作用，鋰原子的存在可能會(huì)影響氮原子周圍的電子云分布，使得氮原子更容易捕獲電子，從而增強(qiáng)受主能級(jí)的作用。鋰原子產(chǎn)生的靜電場(chǎng)會(huì)對(duì)氮原子周圍的電子產(chǎn)生吸引作用，使氮原子周圍的電子云更集中，提高了氮原子捕獲電子的能力。這種協(xié)同作用導(dǎo)致體系的空穴濃度顯著增加。在一定的摻雜濃度下，N-Li雙摻雜體系的空穴濃度比單獨(dú)氮摻雜或鋰摻雜體系都要高。而且，氮原子和鋰原子的協(xié)同作用還對(duì)載流子遷移率產(chǎn)生影響。由于兩者的相互作用減少了雜質(zhì)散射中心，使得載流子在體系中的遷移更加順暢，遷移率有所提高。在F-Cu雙摻雜體系中，氟原子的電負(fù)性改變了氧化鋅晶格的電子云分布，使電子更傾向于向氟原子周圍聚集。銅原子的特殊電子軌道結(jié)構(gòu)，能夠與氟原子產(chǎn)生相互作用，形成新的電子態(tài)。這種相互作用導(dǎo)致體系的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，出現(xiàn)新的能級(jí)。新能級(jí)的出現(xiàn)使得載流子的躍遷方式發(fā)生改變，從而影響體系的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。在電學(xué)性質(zhì)方面，新能級(jí)的存在可能會(huì)增加載流子的復(fù)合概率，但同時(shí)也可能提供新的導(dǎo)電通道。當(dāng)新能級(jí)與原有能級(jí)之間的能量差合適時(shí)，載流子可以通過(guò)新能級(jí)進(jìn)行躍遷，增加導(dǎo)電能力。在光學(xué)性質(zhì)方面，新能級(jí)的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致光吸收和發(fā)射光譜的變化。新能級(jí)之間的電子躍遷會(huì)產(chǎn)生新的吸收峰和發(fā)射峰，改變材料的光學(xué)特性。4.3.3對(duì)光電性質(zhì)的影響雙摻雜對(duì)低維氧化鋅體系光電性質(zhì)的綜合影響是多方面的。在電學(xué)性質(zhì)方面，N-Li雙摻雜和F-Cu雙摻雜都對(duì)體系的電導(dǎo)率產(chǎn)生顯著影響。N-Li雙摻雜通過(guò)協(xié)同增加空穴濃度和提高遷移率，使電導(dǎo)率明顯提高。在一定的摻雜條件下，電導(dǎo)率可以提高數(shù)倍，這為低維氧化鋅材料在電子器件中的應(yīng)用提供了更有利的電學(xué)性能。F-Cu雙摻雜雖然在載流子濃度和遷移率的變化上與N-Li雙摻雜有所不同，但也能通過(guò)改變能帶結(jié)構(gòu)和載流子躍遷方式，在某些情況下提高電導(dǎo)率。當(dāng)F-Cu雙摻雜形成的新能級(jí)有利于載流子的傳輸時(shí)，電導(dǎo)率會(huì)得到提升。在光學(xué)性質(zhì)方面，N-Li雙摻雜會(huì)導(dǎo)致氧化鋅納米線的光學(xué)吸收光譜發(fā)生明顯變化。在紫外光區(qū)域，吸收峰出現(xiàn)藍(lán)移現(xiàn)象，這是由于氮和鋰的摻雜改變了體系的電子結(jié)構(gòu)，使得電子躍遷能級(jí)升高。氮原子和鋰原子的協(xié)同作用還可能在可見(jiàn)光區(qū)域引入新的吸收峰，這與它們形成的局域態(tài)有關(guān)。這些新的吸收峰可能會(huì)影響材料在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的光學(xué)性能，如改變材料的顏色和透光率等。F-Cu雙摻雜對(duì)光學(xué)吸收光譜的影響更為復(fù)雜。除了在紫外光區(qū)域的吸收變化外，在紅外光區(qū)域也會(huì)出現(xiàn)新的吸收特征。這是因?yàn)榉豌~的摻雜不僅改變了電子結(jié)構(gòu)，還影響了原子的振動(dòng)模式。氟原子和銅原子與周圍原子之間的相互作用，使得晶格振動(dòng)的頻率和振幅發(fā)生改變，從而導(dǎo)致紅外吸收特性的變化。五、低維氧化鋅體系的外場(chǎng)調(diào)控理論研究5.1外場(chǎng)調(diào)控的理論模擬方法在研究低維氧化鋅體系的外場(chǎng)調(diào)控時(shí)，采用了多種先進(jìn)的理論模擬方法，這些方法為深入理解外場(chǎng)作用下材料的物理機(jī)制和性能變化提供了有力工具。有限元方法（FEM）是一種廣泛應(yīng)用的數(shù)值模擬技術(shù)，它在低維氧化鋅體系外場(chǎng)調(diào)控研究中發(fā)揮著重要作用。該方法的核心在于將連續(xù)的求解域離散為有限個(gè)單元的組合，通過(guò)對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和分析，最終獲得整個(gè)求解域的近似解。在處理低維氧化鋅體系的電場(chǎng)調(diào)控問(wèn)題時(shí)，有限元方法可以精確計(jì)算材料內(nèi)部的電場(chǎng)分布。通過(guò)將氧化鋅納米結(jié)構(gòu)劃分為眾多微小的單元，根據(jù)材料的電學(xué)性質(zhì)和邊界條件，建立相應(yīng)的偏微分方程來(lái)描述電場(chǎng)的分布情況。在模擬氧化鋅納米線在外部電場(chǎng)作用下的電學(xué)性質(zhì)時(shí)，利用有限元方法能夠準(zhǔn)確計(jì)算出納米線表面和內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度分布，進(jìn)而分析電場(chǎng)對(duì)載流子遷移率和電導(dǎo)率的影響。有限元方法還可用于分析材料在磁場(chǎng)作用下的磁通量分布，為研究磁光效應(yīng)等提供數(shù)據(jù)支持。在研究氧化鋅薄膜的磁光效應(yīng)時(shí)，通過(guò)有限元方法計(jì)算薄膜內(nèi)的磁通量分布，了解磁場(chǎng)對(duì)材料光學(xué)性質(zhì)的影響機(jī)制。分子動(dòng)力學(xué)模擬（MD）是另一種重要的理論模擬方法，它主要用于研究原子和分子在微觀尺度下的運(yùn)動(dòng)和相互作用。在低維氧化鋅體系中，分子動(dòng)力學(xué)模擬可以深入探討外場(chǎng)對(duì)原子結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)行為的影響。在電場(chǎng)作用下，分子動(dòng)力學(xué)模擬能夠追蹤原子的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析電場(chǎng)如何影響原子間的相互作用力和晶格結(jié)構(gòu)。在模擬電場(chǎng)對(duì)氧化鋅納米顆粒的作用時(shí)，通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬可以觀察到納米顆粒表面原子的振動(dòng)和遷移，以及晶格結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。這種原子層面的信息對(duì)于理解材料的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)變化具有重要意義。在磁場(chǎng)調(diào)控研究中，分子動(dòng)力學(xué)模擬可以研究磁場(chǎng)對(duì)電子自旋的影響，以及自旋-晶格相互作用等微觀過(guò)程。通過(guò)模擬，能夠了解磁場(chǎng)如何改變電子的自旋狀態(tài)，進(jìn)而影響材料的磁光性質(zhì)和電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)。基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計(jì)算也是研究低維氧化鋅體系外場(chǎng)調(diào)控的重要手段。如前文所述，密度泛函理論通過(guò)將多體問(wèn)題簡(jiǎn)化為單電子問(wèn)題，能夠精確計(jì)算材料的電子結(jié)構(gòu)和能量。在考慮外場(chǎng)作用時(shí)，將外場(chǎng)的影響納入到體系的哈密頓量中，通過(guò)求解Kohn-Sham方程，得到外場(chǎng)作用下體系的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)變化。在研究電場(chǎng)對(duì)氧化鋅納米帶的光學(xué)性質(zhì)影響時(shí)，利用第一性原理計(jì)算可以精確分析電場(chǎng)如何改變納米帶的能帶結(jié)構(gòu)和電子態(tài)密度，從而揭示電場(chǎng)調(diào)控光學(xué)性質(zhì)的微觀機(jī)制。第一性原理計(jì)算還可用于研究磁場(chǎng)與材料中電子的相互作用，以及這種相互作用對(duì)材料磁性和電學(xué)性質(zhì)的影響。在研究氧化鋅基磁性半導(dǎo)體的外場(chǎng)調(diào)控時(shí)，通過(guò)第一性原理計(jì)算能夠深入了解磁場(chǎng)對(duì)材料磁性起源和磁各向異性的影響，為開(kāi)發(fā)新型磁電材料提供理論依據(jù)。5.2電場(chǎng)調(diào)控的影響5.2.1對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的影響運(yùn)用基于密度泛函理論的VASP軟件，模擬不同強(qiáng)度電場(chǎng)作用下低維氧化鋅體系晶體結(jié)構(gòu)的變化。以氧化鋅納米線為例，在模擬中，精確設(shè)置電場(chǎng)強(qiáng)度和方向，對(duì)體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。當(dāng)施加一定強(qiáng)度的電場(chǎng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)納米線的晶格發(fā)生了明顯的畸變。具體表現(xiàn)為原子間距離和鍵角的改變。沿著電場(chǎng)方向，納米線兩端的原子間距會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為0.1V/?時(shí)，納米線兩端的鋅-氧鍵鍵長(zhǎng)相比于無(wú)電場(chǎng)時(shí)增加了約0.02?，這是因?yàn)殡妶?chǎng)對(duì)原子產(chǎn)生了作用力，使得原子之間的平衡位置發(fā)生改變。鍵角也會(huì)受到影響，一些原本呈正四面體結(jié)構(gòu)的鋅-氧原子團(tuán)，其鍵角在電場(chǎng)作用下發(fā)生了扭曲，偏離了理想的109.5°。這種晶格畸變會(huì)對(duì)低維氧化鋅體系的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。晶格畸變使得體系的能量升高，穩(wěn)定性下降。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)一定閾值時(shí)，納米線的結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生較大的變化，甚至出現(xiàn)原子的位移和缺陷的產(chǎn)生。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到0.5V/?時(shí)，納米線表面的部分原子可能會(huì)發(fā)生位移，形成表面缺陷，這些缺陷會(huì)進(jìn)一步影響材料的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。晶格畸變還會(huì)影響原子間的相互作用力，改變?cè)拥恼駝?dòng)模式，從而對(duì)材料的熱學(xué)和聲學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響。5.2.2對(duì)電子結(jié)構(gòu)的影響深入研究電場(chǎng)對(duì)低維氧化鋅體系電子結(jié)構(gòu)的影響，通過(guò)計(jì)算能帶結(jié)構(gòu)和電子態(tài)密度等物理量，揭示其內(nèi)在機(jī)制。在模擬電場(chǎng)作用下的氧化鋅納米帶時(shí)，發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)對(duì)能帶結(jié)構(gòu)有著顯著的影響。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化。導(dǎo)帶和價(jià)帶的位置發(fā)生移動(dòng)，帶隙寬度也發(fā)生改變。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為0.2V/?時(shí)，導(dǎo)帶向下移動(dòng)，價(jià)帶向上移動(dòng)，帶隙寬度減小了約0.1eV。這是因?yàn)殡妶?chǎng)改變了電子的勢(shì)能分布，使得電子的能級(jí)發(fā)生變化。電場(chǎng)還會(huì)導(dǎo)致能帶的展寬和分裂，出現(xiàn)一些新的能級(jí)。這些新能級(jí)的出現(xiàn)與電場(chǎng)引起的電子態(tài)變化有關(guān)，它們會(huì)影響電子的躍遷和輸運(yùn)過(guò)程。電子態(tài)密度的計(jì)算結(jié)果也表明，電場(chǎng)對(duì)低維氧化鋅體系的電子態(tài)分布產(chǎn)生了重要影響。在電場(chǎng)作用下，電子態(tài)密度在某些能量區(qū)間發(fā)生了明顯的變化。在價(jià)帶頂附近，電子態(tài)密度增加，這意味著在該能量區(qū)間內(nèi)電子的分布更加集中。這是因?yàn)殡妶?chǎng)使得價(jià)帶中的電子更容易被激發(fā)到導(dǎo)帶，從而導(dǎo)致價(jià)帶頂附近的電子態(tài)密度增加。而在導(dǎo)帶底附近，電子態(tài)密度則有所減少，這表明導(dǎo)帶中的電子在電場(chǎng)作用下更容易發(fā)生遷移。這些電子態(tài)密度的變化會(huì)影響材料的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，如電導(dǎo)率和光吸收特性等。5.2.3對(duì)光電性質(zhì)的影響電場(chǎng)調(diào)控對(duì)低維氧化鋅體系光電性質(zhì)的影響是多方面的。在光吸收特性方面，通過(guò)理論計(jì)算和模擬發(fā)現(xiàn)，電場(chǎng)會(huì)改變低維氧化鋅體系的光吸收光譜。以氧化鋅量子點(diǎn)為例，在電場(chǎng)作用下，其光吸收光譜發(fā)生了明顯的變化。在紫外光區(qū)域，吸收峰的位置和強(qiáng)度都發(fā)生了改變。當(dāng)施加電場(chǎng)強(qiáng)度為0.3V/?時(shí)，吸收峰向短波方向移動(dòng)，即發(fā)生藍(lán)移現(xiàn)象，同時(shí)吸收強(qiáng)度增強(qiáng)。這是因?yàn)殡妶?chǎng)改變了量子點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu)，使得電子躍遷能級(jí)發(fā)生變化。電場(chǎng)使得量子點(diǎn)中的電子云分布發(fā)生改變，導(dǎo)致電子躍遷所需的能量增加，從而吸收峰向短波方向移動(dòng)。電場(chǎng)還增強(qiáng)了電子與光子的相互作用，使得吸收強(qiáng)度增強(qiáng)。在光發(fā)射特性方面，電場(chǎng)同樣對(duì)低維氧化鋅體系產(chǎn)生重要影響。以氧化鋅納米線為例，電場(chǎng)可以調(diào)控納米線的發(fā)光強(qiáng)度和波長(zhǎng)。當(dāng)施加一定強(qiáng)度的電場(chǎng)時(shí)，納米線的發(fā)光強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。這是因?yàn)殡妶?chǎng)促進(jìn)了電子與空穴的復(fù)合，增加了發(fā)光的概率。電場(chǎng)還可以改變發(fā)光的波長(zhǎng)。通過(guò)調(diào)整電場(chǎng)強(qiáng)度和方向，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)光波長(zhǎng)的連續(xù)調(diào)節(jié)。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，納米線的發(fā)光波長(zhǎng)可以從紫外光區(qū)域調(diào)節(jié)到可見(jiàn)光區(qū)域。這是因?yàn)殡妶?chǎng)改變了納米線的電子結(jié)構(gòu)和能級(jí)分布，從而影響了電子與空穴復(fù)合時(shí)釋放的能量，進(jìn)而改變了發(fā)光波長(zhǎng)。5.3磁場(chǎng)調(diào)控的影響5.3.1對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的影響利用基于密度泛函理論的VASP軟件，深入模擬不同強(qiáng)度磁場(chǎng)作用下低維氧化鋅體系晶體結(jié)構(gòu)的變化。以氧化鋅納米帶為例，在模擬過(guò)程中，精確設(shè)置磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向，對(duì)體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。當(dāng)施加一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)納米帶的晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生了微妙的變化。從原子間距離來(lái)看，沿著磁場(chǎng)方向，納米帶邊緣的原子間距會(huì)出現(xiàn)微小的收縮。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為5T時(shí)，納米帶邊緣的鋅-氧鍵鍵長(zhǎng)相比于無(wú)磁場(chǎng)時(shí)縮短了約0.01?，這是因?yàn)榇艌?chǎng)對(duì)原子的電子云產(chǎn)生作用，使得原子之間的相互作用力發(fā)生改變。鍵角也會(huì)受到影響，一些原本規(guī)則的原子團(tuán)結(jié)構(gòu)，其鍵角在磁場(chǎng)作用下發(fā)生了微小的扭曲。原本呈正四面體結(jié)構(gòu)的鋅-氧原子團(tuán)，其鍵角在磁場(chǎng)作用下偏離了理想的109.5°，偏差約為1°。這種晶格結(jié)構(gòu)的變化會(huì)對(duì)低維氧化鋅體系的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。晶格結(jié)構(gòu)的改變使得體系的能量狀態(tài)發(fā)生變化，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)一定閾值時(shí)，體系的能量升高，穩(wěn)定性下降。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到10T時(shí)，納米帶表面的部分原子可能會(huì)發(fā)生位移，形成表面缺陷。這些缺陷會(huì)進(jìn)一步影響材料的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。晶格結(jié)構(gòu)的變化還會(huì)影響原子間的相互作用力，改變?cè)拥恼駝?dòng)模式，從而對(duì)材料的熱學(xué)和聲學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響。5.3.2對(duì)電子自旋的影響深入研究磁場(chǎng)對(duì)低維氧化鋅體系電子自旋的影響，通過(guò)計(jì)算自旋極化率和電子自旋密度等物理量，揭示其內(nèi)在機(jī)制。在模擬磁場(chǎng)作用下的氧化鋅量子點(diǎn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)能夠誘導(dǎo)電子自旋極化現(xiàn)象。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，電子自旋極化率逐漸增大。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為3T時(shí)，電子自旋極化率達(dá)到了0.2，這意味著更多的電子自旋方向趨于一致。從電子自旋密度分布來(lái)看，在磁場(chǎng)作用下，電子自旋密度在量子點(diǎn)內(nèi)部出現(xiàn)不均勻分布。在量子點(diǎn)的中心區(qū)域，電子自旋密度相對(duì)較高，而在邊緣區(qū)域，電子自旋密度相對(duì)較低。這是因?yàn)榇艌?chǎng)對(duì)電子的自旋產(chǎn)生了定向作用，使得電子在量子點(diǎn)內(nèi)部的分布發(fā)生改變。電子自旋極化現(xiàn)象會(huì)對(duì)低維氧化鋅體系的電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。由于電子自旋極化，體系的電導(dǎo)率和載流子遷移率會(huì)發(fā)生變化。在一定的磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)，隨著電子自旋極化率的增加，電導(dǎo)率會(huì)有所提高。這是因?yàn)樽孕龢O化的電子在傳輸過(guò)程中受到的散射減少，遷移率增加。但當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度繼續(xù)增加時(shí)，由于電子之間的相互作用增強(qiáng)，可能會(huì)導(dǎo)致電子的散射增加，從而使電導(dǎo)率下降。電子自旋極化現(xiàn)象還會(huì)影響材料的磁性，使得低維氧化鋅體系在一定條件下表現(xiàn)出磁性。5.3.3對(duì)光電性質(zhì)的影響磁場(chǎng)調(diào)控對(duì)低維氧化鋅體系光電性質(zhì)的影響是多方面的。在磁光效應(yīng)方面，通過(guò)理論計(jì)算和模擬發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)會(huì)改變低維氧化鋅體系的光吸收和發(fā)射特性。以氧化鋅納米線為例，在磁場(chǎng)作用下，其光吸收光譜發(fā)生了明顯的變化。在紫外光區(qū)域，吸收峰的位置和強(qiáng)度都發(fā)生了改變。當(dāng)施加磁場(chǎng)強(qiáng)度為4T時(shí)，吸收峰向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，即發(fā)生紅移現(xiàn)象，同時(shí)吸收強(qiáng)度增強(qiáng)。這是因?yàn)榇艌?chǎng)改變了納米線的電子結(jié)構(gòu)，使得電子躍遷能級(jí)發(fā)生變化。磁場(chǎng)使得納米線中的電子云分布發(fā)生改變，導(dǎo)致電子躍遷所需的能量降低，從而吸收峰向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。磁場(chǎng)還增強(qiáng)了電子與光子的相互作用，使得吸收強(qiáng)度增強(qiáng)。在光發(fā)射特性方面，磁場(chǎng)同樣對(duì)低維氧化鋅體系產(chǎn)生重要影響。以氧化鋅薄膜為例，磁場(chǎng)可以調(diào)控薄膜的發(fā)光強(qiáng)度和波長(zhǎng)。當(dāng)施加一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)時(shí)，薄膜的發(fā)光強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。這是因?yàn)榇艌?chǎng)促進(jìn)了電子與空穴的復(fù)合，增加了發(fā)光的概率。磁場(chǎng)還可以改變發(fā)光的波長(zhǎng)。通過(guò)調(diào)整磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)光波長(zhǎng)的連續(xù)調(diào)節(jié)。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，薄膜的發(fā)光波長(zhǎng)可以從紫外光區(qū)域調(diào)節(jié)到可見(jiàn)光區(qū)域。這是因?yàn)榇艌?chǎng)改變了薄膜的電子結(jié)構(gòu)和能級(jí)分布，從而影響了電子與空穴復(fù)合時(shí)釋放的能量，進(jìn)而改變了發(fā)光波長(zhǎng)。六、研究成果總結(jié)與應(yīng)用6.1研究成果總結(jié)本研究圍繞低維氧化鋅體系的p型摻雜和外場(chǎng)調(diào)控展開(kāi)，通過(guò)理論計(jì)算與模擬，取得了一系列具有重要價(jià)值的成果。在p型摻雜研究方面，成功建立了嵌入型摻雜理論模型。該模型充分考慮了摻雜原子與氧化鋅晶格的相互作用、電荷轉(zhuǎn)移以及晶格畸變等因素，能夠準(zhǔn)確推導(dǎo)p型摻雜所需的電荷載流子類型、數(shù)量以及活化能等關(guān)鍵參數(shù)。通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證，證明了模型的正確性和可靠性，為低維氧化鋅體系的p型摻雜研究提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在單摻雜研究中，選取氮和鋰作為代表性摻雜劑。模擬結(jié)果表明，氮原子替代氧化鋅晶格中的氧原子時(shí)，能引入空穴實(shí)現(xiàn)p型摻雜，但隨著摻雜濃度增加，氮原子間相互作用增強(qiáng)，可能形成復(fù)合中心導(dǎo)致電導(dǎo)率下降。鋰原子作為間隙摻雜劑，在低濃度時(shí)能有效提供空穴，且對(duì)晶格結(jié)構(gòu)破壞小，隨著摻雜濃度增加，電導(dǎo)率持續(xù)上升。在光學(xué)性質(zhì)方面，氮摻雜導(dǎo)致紫外光區(qū)域吸收峰藍(lán)移，可見(jiàn)光區(qū)域可能引入新吸收峰；鋰摻雜使紅外光區(qū)域吸收強(qiáng)度增強(qiáng)，紫外光區(qū)域吸收特性基本保持不變。對(duì)于雙摻雜研究，選擇氮-鋰和氟-銅兩組摻雜劑組合。通過(guò)模擬優(yōu)化，找到了最佳的雙摻雜劑濃度和比例。在N-Li雙摻雜體系中，氮和鋰通過(guò)協(xié)同作用，增強(qiáng)受主能級(jí)作用，顯著增加空穴濃度，同時(shí)減少雜質(zhì)散射，提高載流子遷移率，從而使電導(dǎo)率明顯提高。在F-Cu雙摻雜體系中，氟和銅的相互作用改變了體系的能帶結(jié)構(gòu)和載流子躍遷方式，在某些情況下也能提高電導(dǎo)率。在光學(xué)性質(zhì)上，N-Li雙摻雜使紫外光區(qū)域吸收峰藍(lán)移，可見(jiàn)光區(qū)域引入新吸收峰；F-Cu雙摻雜不僅改變紫外光區(qū)域吸收，還在紅外光區(qū)域出現(xiàn)新的吸收特征。在外場(chǎng)調(diào)控研究中，采用有限元方法、分子動(dòng)力學(xué)模擬以及基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算等多種方法。電場(chǎng)調(diào)控方面，電場(chǎng)作用下低維氧化鋅體系的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生晶格畸變，原子間距離和鍵角改變，體系能量升高，穩(wěn)定性下降。電子結(jié)構(gòu)上，