ZnS掺杂Ag、Fe的第一性原理研究

姜贵民

【摘 要】为研究闪锌矿结构ZnS掺杂Ag、Fe体系的电子结构和磁学性质，论文通过基于密度泛函理论的第一性原理计算方法计算了该掺杂体系的能带结构和自旋态密度。结果表明：ZnS掺杂Ag、Fe时的态密度在费米能级附近出现了一个杂质能级，Ag掺杂为p型掺杂，Fe掺杂为n型掺杂；过渡金属Fe掺杂ZnS时使ZnS的磁学性质得到改变。

【Abstract】In order to study the electronic structure and magnetic properties of Ag and Fe systems doped into ZnS in the sphalerite structure， this paper calculates the energy band structure and the spin density of the doping system by the first-principles calculation method based on the density functional theory. The results show that the density of ZnS doped with Ag and Fe has an impurity level near the Fermi level， Ag doping is p-type doping， Fe doping is n-type doping； transition metal Fe doping into ZnS makes the magnetic properties of ZnS changed.

【关键词】ZnS；第一性原理；掺杂；磁学性质

【Keywords】ZnS； first principle； doping； magnetic properties

【中图分类号】F224-39 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）07-0151-02

1 引言

ZnS是一种重要的宽禁带Ⅱ-Ⅵ族本征半导体材料，在各个领域都有广泛的用途和应用前景。但纯ZnS材料的带隙使其在一些领域中的应用受到了限制，因此，合理摻杂ZnS使其电子结构和性质得到改变，以适应不同领域的实际需求，具有广阔的应用前景。Bhargava等人[1]在1994年发现，ZnS晶体在掺杂Mn2+后具有很高的量子发光效率。Anuja等人研究了掺杂Cu的ZnS系统，发现了系统从纤锌矿到闪锌矿的相变等。

本文研究了ZnS掺杂Ag、Fe的磁学性质和电子结构，主要基于第一性原理的计算方法进行计算，为半导体新材料的开发提供理论依据和实验指导。计算结果与实验结果较为符合。

2 理论模型与计算方法

计算采用基于密度泛函理论（density functional theory，DFT）的广义梯度近似（generalized gradient approximation，GGA）修正方法[2-5]。采用超软赝势（ultra-soft pseudo-potential，USSP）近似描述价电子与离子实之间的相互作用；交换相干函数用GGA/PBE[6]进行处理，在倒易的K空间中，通过平面波截止能量的选择可以提高计算精度，同时运用快速傅立叶变化技术，在实空间和倒易空间之间，使能量、相互作用势等快速转换[7]。计算所用的模型为闪锌矿结构ZnS，其空间群为F-43M（216），晶格常数a=b=c=0.54093nm，α=β=γ=90°，为1×1×1超晶胞结构。选取Zn-3d104s2、S-3s23p4、Ag-3s23p1、Fe-2s22p3组态电子作为价电子，其他轨道电子看作芯电子来进行计算。基本参数设置为在倒易的K空间中，平面波截止能选取Ecut=420.0eV，迭代过程中的收敛精度为1.0×10-5电子伏特/原子，也即作用在每个原子上的力不大于0.03eV/nm，内应力不大于0.05GPa，系统总能和电荷密度在Brillouin区的积分计算采用Monkorst-Park方案，选取k网格点为5×5×2，保证了体系能量和构型在准完备的平面波基水平上收敛。其中一个Ag、Fe原子分别替代超晶胞中心的一个Zn原子，模型如图1所示。

3 计算结果与分析

3.1 结构分析

为了获得ZnS基态的晶格属性，对ZnS超原胞进行结构优化，计算表明我们选取的结构是非常合适的。由于Ag原子半径比Zn的原子半径要小导致掺杂后ZnS的晶格参数有所减小。由于掺杂方式为原位替代，所以掺杂未改变晶体的对称性，掺杂后的晶体与纯净的ZnS晶体同构。掺杂Fe与掺杂前相比ZnS的晶格常数发生了微小的变化，这是由过渡金属原子置换锌原子后原子间的相互作用发生了变化所致。

3.2 能带结构分析

第一，ZnS掺杂Ag的能带结构。在纯ZnS电子性质的基础之上，我们计算了Ag掺杂ZnS的能带结构结果如图2所示，从图中可以看出，由于杂质Ag的掺入导致热学禁带宽度变为1.92eV，并且在价带顶附近出现了杂质能级（受主能级），该能级距价带顶0.05eV。通过计算，Ag的掺杂为P型掺杂。

第二，ZnS掺杂Fe的能带结构。在纯ZnS电子性质的基础之上，我们计算了Ag掺杂ZnS的能带结构结果，可以看出费米能级附近出现了杂质能级。计算表明，Fe的掺杂为n型掺杂。

3.3 磁学性质分析

通过分析，发现ZnS掺杂Ag是曲线几乎对称，而掺杂Fe时曲线不对称，对比数据发现Fe的磁矩为4.18664μB，自旋为1.72hbar，而Ag均为0，所以得出结论：Ag的掺杂并没有改变ZnS的磁学性质，而掺杂Fe时ZnS具有了一定的磁性。endprint

4 结语

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法，对ZnS掺杂Ag、Fe的能带结构和磁学性质进行分析，得到了如下结论：

①ZnS掺杂Ag为p型掺杂，杂质能级构成了复合价带顶，系统的带隙变小，ZnS掺杂Fe为n型掺杂；

②ZnS掺杂过渡Fe时自旋态密度曲线不对称，对比数据发现掺杂时Fe的磁矩为4.18664μB，自旋为1.72hbar，而Ag均为0，因此，Ag的掺杂并没有改变ZnS的磁学性质，而掺杂Fe时ZnS具有了一定的磁性。

【参考文献】

【1】R N Bhargava， D Gallagher，X Hong，et a1.Optical properties of manganese doped nanocrystals of ZnS[J].Phys.Rev.Lett，1994，3（72）：416-419.

【2】Liu B， Zhang H， Fernandes H. Quantitative Evaluation of Pulsed Thermography， Lock-in Thermography and Vibrothermography on Foreign Object Defect （FOD） in CFRP[J]. Sensors， 2016， 16（5）：743. 【3】Liu B， He Y Y， Zhang H. Study on characteristics of magnetic memory testing signal based on the stress concentration field[J]. Iet Science Measurement & Technology， 2017， 11（1）：2-8.

【4】Liu Bin， He Luyao， Zhang Hai，. The axial crack testing model for long distance oil-gas pipeline based on magnetic flux leakage internal inspection method[J]. Measurement， 2017，103（1）：275-282.

【5】劉斌，曹阳，王国庆，等. 基于LAPW算法磁记忆信号相变特性的研究[J].仪器仪表学报，2016，35（4）：1238-1254.

【6】刘斌，何璐瑶，霍晓莉，等.基于Kp微扰算法的磁场中MMM信号特征的研究[J]. 仪器仪表学报，2017，38（1）：151-158.

【7】刘斌，曹阳，王缔，等.基于LMTO算法磁记忆屈服信号的定量化分析[J].仪器仪表学报，2017，38（6）：145-152.endprint