二維ZnO電子結(jié)構(gòu)的第一性原理研究

廣東理工學(xué)院電氣工程系 徐殿雙

二維ZnO電子結(jié)構(gòu)的第一性原理研究

廣東理工學(xué)院電氣工程系 徐殿雙

自石墨烯發(fā)現(xiàn)以來，類石墨烯材料的研究一直是人們關(guān)注的熱點。二維材料具有獨特的物理性質(zhì)，在光電器件，傳感等方面有廣闊的應(yīng)用前景。塊體ZnO是一種多功能材料，目前已應(yīng)用到多種器件中，對于二維的ZnO也就引起了人們的重視。本文基于第一性原理計算，采用Materials studio軟件對二維ZnO進行理論研究，主要分析二維ZnO的電子結(jié)構(gòu)，及其應(yīng)用領(lǐng)域的介紹。

二維ZnO；第一性原理；電子結(jié)構(gòu)

0 引言

2004年，英國曼徹斯特大學(xué)Andre Geim研究組發(fā)現(xiàn)了單層原子厚度的石墨結(jié)構(gòu)，它具有二維的蜂窩狀網(wǎng)格晶格，從此二維材料的發(fā)現(xiàn)掀起了低維材料的研究熱潮[1]。石墨烯擁有與石墨不同的性質(zhì)：只有一個原子層的厚度，有大的比表面積，非常柔韌，強度高，導(dǎo)電性好，熱導(dǎo)率也極高。但是石墨烯也有一大缺點就是本身不具有帶隙，使其在器件方面的應(yīng)用受到一定的限制。ZnO是優(yōu)良的寬禁帶半導(dǎo)體材料，基于石墨烯材料的假想，引起了人們對二維ZnO新思路，并且實驗上成功的在Pd表面生長出來[2]。但二維ZnO的理論研究尚不完善。為此我們有必要對二維ZnO研究提供理論基礎(chǔ)。

1 計算模型與方法

采用的是3×3×1的超晶胞模型，模型圖如圖1所示，從圖中可以看出，單層ZnO是Zn、O間隔的六元環(huán)的結(jié)構(gòu)，與石墨烯的模型相似，但沒有優(yōu)化的ZnO模型是褶皺的。

圖1 單層ZnO模型圖

計算的過程采用的是Materials studio 8.0軟件包中的Castep模塊。計算的全程都是采用相同的精度，方法采用的是廣義梯度近似方法（GGA），交換相關(guān)勢能函數(shù)使用（Perdew-Burke-Ernzerhof）PBE進行計算。能量的計算選用的是340eV的截斷能，K點選擇為3×3×1。與塊體不同，為了消除層間力，我們加入15?的真空層。結(jié)構(gòu)的收斂程度需達到以下標(biāo)準(zhǔn)：每個原子的自恰場收斂標(biāo)準(zhǔn)為1×10-5eV，能量變化范圍不超過為1×10-5eV。已知在塊體ZnO中進行LDA+U的計算，加的U值分別為Zn的3d態(tài)是10eV，O的2p態(tài)是7eV。

2 計算結(jié)果與討論

通過以上計算，可以看到優(yōu)化后單層ZnO變?yōu)槠秸娜鐖D2， Zn-O-Zn鍵角均為120°，Zn-O鍵長為1.91?[3]，鍵長鍵角如下表1所示，從表中我們很容易看出單層ZnO比塊體ZnO的鍵長要短，塊體ZnO的鍵長在2.01?。這是由于單層ZnO沒有塊體的C軸方向的作用力，使得鍵長變短[4]。

圖2 單層ZnO(a)優(yōu)化前,(b)優(yōu)化后

計算后得到的能帶圖如圖3，從圖中可知，二維ZnO是導(dǎo)帶底和價帶頂都在布里淵區(qū)中心G點處的直接帶隙的半導(dǎo)體，帶隙寬度高達4.05eV。從圖中可以看出，ZnO的3個區(qū)域，即0.0eV到-4.0eV為上價帶，-4.0eV到-6.0eV的下價帶區(qū)，以及位于-15eV處寬度為0.5eV的價帶。二維ZnO的上價帶主要由O的2p態(tài)構(gòu)成，下價帶由Zn的3d態(tài)組成，O2s態(tài)主要貢獻在-15eV的位置，與其他兩個價帶的作用較小，對二維ZnO整體的影響不大。由態(tài)密度圖4可以看出二維ZnO自旋向上和自旋向下的電子態(tài)相同，說明二維ZnO沒有磁性。

表1 單層ZnO晶格常數(shù)與鍵長、鍵角

圖3 單層ZnO能帶圖

圖4 單層ZnO態(tài)密度圖

3 低維ZnO的應(yīng)用前景

與石墨烯相比較，二維ZnO不僅擁有帶隙，而且還是很大的禁帶寬度，在光學(xué)器件方面有廣泛的應(yīng)用前景。4.05eV的禁帶寬度，在場效應(yīng)管、壓電器件、太陽能電池、生物傳感器、紫外探測器，以及波長較小的傳感器等領(lǐng)域有很大的潛在價值。隨著高新技術(shù)的發(fā)展，各種器件都向著高度集成化發(fā)展，尺寸越來越小，二維材料的出現(xiàn)既降低了器件測尺寸，又提高了器件的性能，有利于新器件的研發(fā)；尤其是在傳感器方面，二維ZnO各方面的優(yōu)異性能決定其不可或缺的地位。二維ZnO既有石墨烯的大部分優(yōu)點，還具有塊體ZnO半導(dǎo)體材料的優(yōu)點。對于目前集成度較高的各種器件有很大的潛力，有利于推進現(xiàn)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

4 結(jié)語

二維ZnO的發(fā)現(xiàn)，成功的證明了類石墨烯材料的存在，實現(xiàn)了新材料的研究。二維ZnO的寬帶隙彌補了石墨烯的不足，并為類石墨烯材料的研究開啟新的篇章。加大材料帶隙的方法有很多種，可以實現(xiàn)石墨烯“0”帶隙的突破，但是無論什么方法改變的帶隙都不如材料本身具有的帶隙穩(wěn)定性好。尋找替代石墨烯材料的研究將會是近些年的主要方向。

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圖3 繼電器在機殼上的絕緣安裝

3.2 繼電器的防靜電設(shè)計

由于航天環(huán)境的特殊性，空間等離子體會在繼電器的金屬殼體上形成靜電。繼電器進行絕緣安裝后，就無法及時有效的釋放在繼電器殼體上累積的靜電，因此在航天器中使用繼電器必須采取措施對繼電器殼體表面的靜電進行泄放。

在正常設(shè)計中常采取在磁保持繼電器的殼體上連接一個靜電泄放電阻到單機金屬殼體的措施，為繼電器殼體提供良好的靜電放電回路。

4 結(jié)語

由于具有待機功耗低、高可靠的特性，磁保持繼電器在航天配電系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。本文從繼電器的串并聯(lián)使用、線圈的瞬態(tài)抑制、絕緣安裝和防靜電設(shè)計等方面對磁保持繼電器在航天特殊環(huán)境下的使用進行了闡述。上述的設(shè)計方式已廣泛應(yīng)用于航天型號產(chǎn)品供配電系統(tǒng)中，并且在軌工作運行良好。

參考文獻

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作者簡介：

張國兵（1973—），男，河南洛陽人，碩士，高級工程師，主要從事星載供配電系統(tǒng)研制工作。

任海林（1979—），男，安徽淮北人，學(xué)士，高級工程師，主要從事雷達電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計制工作。

徐殿雙（1987—），男，碩士，助教，研究方向：功能材料。