Zn2 SiO4電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)的第一性原理計算

張志偉,潘 勇,廉 琪,沈喜海,邵麗君,張衛(wèi)國,3*

(1河北科技師范學(xué)院理化學(xué)院,河北秦皇島,066600;2昆明貴金屬研究所;3燕山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院)

Zn2SiO4作為發(fā)光材料,與硫化物發(fā)光材料(如 ZnS,SrS等)相比,環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),化學(xué)穩(wěn)定性好,抗?jié)裥詮?qiáng),而且易于制備,價格低廉,因此在發(fā)光材料研究中倍受關(guān)注。Zn2SiO4是一類含有有限硅氧基團(tuán)的硅酸鹽,一個單獨的硅氧四面體與 Zn離子結(jié)合形成互不相連接的孤立四面體。熒光顯示 Zn2SiO4對244 nm的紫外光有很微弱的吸收,并在 252 nm處發(fā)出極微弱的熒光[1～7]。

國外,S.Zh.Karazhanov等[8]采用局域密度泛函理論對四方和立方結(jié)構(gòu)的 Zn2SiO4進(jìn)行了電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)等的計算,計算表明禁帶寬度在2.22～4.18 eV之間。還有一些研究者在 Zn2SiO4里摻雜其它離子,采用第一性原理進(jìn)行了計算。例如,K.C.Mishra等[9]采用第一性原理的方法研究了摻雜 Mn離子的電子結(jié)構(gòu),H.D.Park等[10]采用第一性原理的方法研究了摻雜 Co離子的電子結(jié)構(gòu)和光致發(fā)光效應(yīng)。在國內(nèi),ZHANGHua[11]采用局域密度泛函理論和第一性原理的方法,計算四方結(jié)構(gòu)和三斜結(jié)構(gòu)硅酸鋅的平衡晶格常數(shù)、電子態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu),能帶計算表明,三斜結(jié)構(gòu)硅酸鋅均為直接帶隙半導(dǎo)體,禁帶寬度 2.89 eV。

然而,對三斜結(jié)構(gòu)的 Zn2SiO4光學(xué)性質(zhì)方面的研究還未見報道。鑒于此,本研究采用目前計算機(jī)模擬實驗中較先進(jìn)的基于密度泛函理論(DFT)的贗勢平面波方法對三斜結(jié)構(gòu)的 Zn2SiO4的能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、介電函數(shù)、折射率及吸收系數(shù)、光電導(dǎo)率等光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了全面的計算,并對其機(jī)理進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析。……