覆盖度对Zn0（110）面吸附CO的电学特性的影响

孙杨

摘要：本论文主要基于密度泛函数理论（Densityfunetionaltheory）的第一性原理，采用广义梯度近似（GGA）的PBE来计算交换关联能（不考虑自旋）方法。在Materials Studio中castep软件包建立ZnO模型，分析超级晶胞为1*1*1、2*2*1（即覆盖度1ml、1/4ml）三种覆盖度的电学特性的影响。主要内容如下：1.我们介绍ZnO的基本结构；2.探究ZnO的电子结构；3.计算ZnO（110）面的能带结构；4.研究吸附CO后ZnO的电子态密度。

关键词：ZnO（110）面；覆盖度；CO吸附

1 计算方法与计算工具

多电子体系薛定谔方程

组成固体的多原子系统的本征态可由如下定态薛定谔方程来描述：

2 建立模型及计算

2.1 ZnO（1 1 0 ）面的建立

首先在castep的project界面導入ZnO模型，在visualizer中build-surfaces-cleave surface是切割出ZnO（110）面，更改cleave plane（h k l）改为（110），点击cleave确认选项，这样（110）面就做好了。

因为本论文采用的是在同一绝对坐标位置吸附CO，要体现CO的不同的覆盖度，就只需改变ZnO（110）面的晶胞个数，论文构建了2种： 1×1×1、2×2×1，分别对应着1ML、1/4ML个晶胞。

设置好参数后得到的超级晶胞，2×2×1。

2.2 CO模型的建立

CO的构建与ZnO类似，我们要导出单个CO胞体： import在struct中找到CO，把CO模型变成球棍式，通过加原子得到我们最终的CO。

2.3 CO的吸附

CO中C-O键长接近1.5A。（在添加O原子的时候，C，O之间距离是一个键长，所以O原子X，Y不变Z增加一个键长），说以O坐标为（6.951，-5.739，0.980）castep结构优化参数的设置。

在visualizer中选着castep工具，在工具中选着calculation弹出。设置7*7*4的k点实现对布里渊区的设置。先进行结构优化，待其得到稳定的结构后，再进行能量的计算，点击Run开始对模型能量的计算。

论文选取了不同超级晶胞数（1*1*1 ，2*2*1）的ZnO（1 1 0）吸附CO分子，计算比较不同晶胞吸附CO分子的吸附能，能带，态密度，确定不同晶胞的稳定性。

3 计算能带结构和电子态密度的分析

3.1 吸附能的计算

分析CO在不同覆盖度（1*1*1， 2*2*1）的ZnO表面上的吸附能（Ead），计算吸附能公式，如下：

覆蓋度为2*2*1的超级晶胞是最稳定的结构，而吸附能是0.02456358Ev说明此过程最稳定，最不稳定的是覆盖度为1*1*1的超级晶胞。

3.2 能带结构

下图是没有吸附CO分子的ZnO（1 1 0）面的禁带宽度，可以看出禁带宽度是2.251eV，其禁带宽度比较小，从ZnO结构中看出，ZnO（1 1 0）面上有很多Zn原子，金属性较好，导电性高，使其禁带宽度下降。

下图的禁带宽度可以看出这个位置使ZnO（1 1 0）表面禁带宽度增加，金属性降低，相应的导电性变差，电阻率升高，相应的ZnO（1 1 0）面的绝缘性变大了。

（2）覆盖度为2*1*1 ZnO（1 1 0） 能带结构图

电子态密度

态密度图看出，多数的电子主要集中在3个价带分割出来的区域内，-17.8eV –15.6Ev，-8.5eV—-4.1eV，-4.0eV—0.9V以及产生出来3段的波峰，其中下价带峰形最尖锐，峰值最大，这主要来源于Zn的d态电子的贡献，说明Zn的d态电子具有高度局域化的特性。

4 结论

计算得到不同覆盖度ZnO（110）面上的能量分别为：覆盖度1ml 1*1*1 的超级晶胞Ead=-0.18236513Ev，覆盖度1/4ml 2*2*1的超级晶胞Ead=0.2456358Ev可以看出CO最稳定的位置就在三个Zn原子中间的位置，吸附能最小。

参考文献：

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