覆蓋度對Zn0（110）面吸附CO的電學特性的影響

孫楊

摘要：本論文主要基于密度泛函數理論（Densityfunetionaltheory）的第一性原理，采用廣義梯度近似（GGA）的PBE來計算交換關聯能（不考慮自旋）方法。在Materials Studio中castep軟件包建立ZnO模型，分析超級晶胞為1*1*1、2*2*1（即覆蓋度1ml、1/4ml）三種覆蓋度的電學特性的影響。主要內容如下：1.我們介紹ZnO的基本結構；2.探究ZnO的電子結構；3.計算ZnO（110）面的能帶結構；4.研究吸附CO后ZnO的電子態密度。

關鍵詞：ZnO（110）面；覆蓋度；CO吸附

1 計算方法與計算工具

多電子體系薛定諤方程

組成固體的多原子系統的本征態可由如下定態薛定諤方程來描述：

2 建立模型及計算

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）改為（110），點擊cleave確認選項，這樣（110）面就做好了。

因為本論文采用的是在同一絕對坐標位置吸附CO，要體現CO的不同的覆蓋度，就只需改變ZnO（110）面的晶胞個數，論文構建了2種： 1×1×1、2×2×1，分別對應著1ML、1/4ML個晶胞。

設置好參數后得到的超級晶胞，2×2×1。

2.2 CO模型的建立

CO的構建與ZnO類似，我們要導出單個CO胞體： import在struct中找到CO，把CO模型變成球棍式，通過加原子得到我們最終的CO。

2.3 CO的吸附

CO中C-O鍵長接近1.5A。（在添加O原子的時候，C，O之間距離是一個鍵長，所以O原子X，Y不變Z增加一個鍵長），說以O坐標為（6.951，-5.739，0.980）castep結構優化參數的設置。

在visualizer中選著castep工具，在工具中選著calculation彈出。設置7*7*4的k點實現對布里淵區的設置。先進行結構優化，待其得到穩定的結構后，再進行能量的計算，點擊Run開始對模型能量的計算。

論文選取了不同超級晶胞數（1*1*1 ，2*2*1）的ZnO（1 1 0）吸附CO分子，計算比較不同晶胞吸附CO分子的吸附能，能帶，態密度，確定不同晶胞的穩定性。

3 計算能帶結構和電子態密度的分析

3.1 吸附能的計算

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

覆蓋度為2*2*1的超級晶胞是最穩定的結構，而吸附能是0.02456358Ev說明此過程最穩定，最不穩定的是覆蓋度為1*1*1的超級晶胞。

3.2 能帶結構

下圖是沒有吸附CO分子的ZnO（1 1 0）面的禁帶寬度，可以看出禁帶寬度是2.251eV，其禁帶寬度比較小，從ZnO結構中看出，ZnO（1 1 0）面上有很多Zn原子，金屬性較好，導電性高，使其禁帶寬度下降。

下圖的禁帶寬度可以看出這個位置使ZnO（1 1 0）表面禁帶寬度增加，金屬性降低，相應的導電性變差，電阻率升高，相應的ZnO（1 1 0）面的絕緣性變大了。

（2）覆蓋度為2*1*1 ZnO（1 1 0） 能帶結構圖

電子態密度

態密度圖看出，多數的電子主要集中在3個價帶分割出來的區域內，-17.8eV –15.6Ev，-8.5eV—-4.1eV，-4.0eV—0.9V以及產生出來3段的波峰，其中下價帶峰形最尖銳，峰值最大，這主要來源于Zn的d態電子的貢獻，說明Zn的d態電子具有高度局域化的特性。

4 結論

計算得到不同覆蓋度ZnO（110）面上的能量分別為：覆蓋度1ml 1*1*1 的超級晶胞Ead=-0.18236513Ev，覆蓋度1/4ml 2*2*1的超級晶胞Ead=0.2456358Ev可以看出CO最穩定的位置就在三個Zn原子中間的位置，吸附能最小。

參考文獻：

[1]齊延華.ZnS摻雜系統電子結構和光學性質的理論研究[J].曲阜師范大學，2009，4：1-2，4-8.

[2]李振鋼，張韻慧，王向軍等.用化學合成法制備ZnS：Mn納米晶體功能材料[J].1998：408-409.

[3]喬陽.ZnS及其摻雜的第一性原理研究[J].山東大學，2010，4：4-5.

[4]賈寶平，賀躍輝，唐建成，等.ZnS摻雜技術研究及應用現狀[J].材料導報，2002，8：20-28.