GaN/ZnO固溶體電子結(jié)構(gòu)與光學(xué)性質(zhì)的第一性原理研究

摘要：GaN/ZnO固溶體具有良好的光催化活性。為研究不同ZnO物質(zhì)的量對(duì)GaN/ZnO固溶體能帶結(jié)構(gòu)和光吸收性能的影響，構(gòu)建了一系列GaN/ZnO固溶體的隨機(jī)原子結(jié)構(gòu)模型。基于密度泛函理論計(jì)算不同ZnO物質(zhì)的量對(duì)GaN/ZnO固溶體模型電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明：ZnO/GaN固溶體形成能與結(jié)合能均為負(fù)值，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。隨著ZnO物質(zhì)的量的增加，固溶體的帶隙先呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，最后呈現(xiàn)小幅上升趨勢(shì)。對(duì)于ZnO物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)在13.89%至22.22%的GaN/ZnO固溶體，可以觀察到光吸收峰強(qiáng)度在可見(jiàn)光區(qū)各個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)均有較強(qiáng)吸收。通過(guò)研究不同ZnO物質(zhì)的量對(duì)GaN/ZnO固溶體能帶結(jié)構(gòu)和光吸收性能的影響，為GaN/ZnO固溶體光催化材料的設(shè)計(jì)與制備提供了理論參考。

關(guān)鍵詞：GaN/ZnO固溶體；光催化；第一性原理計(jì)算；催化材料設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：O 469文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

First-principles study on the electronic structure and optical properties of GaN/ZnO solid solution

WANG Qianli，ZHANG Jin，CHEN Huilin，WANG Shunyao，XU Jingcheng

（School of Materials and Chemistry，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

Abstract：TheGaN/ZnO solid solution exhibits excellent photocatalytic activity.To investigate the effect of ZnO content on the band structure and optical absorption properties of the GaN/ZnO solid solution，a series of random atomic structure models of GaN/ZnO solid solution were constructed.The density functional theory was used to calculate the effect of ZnO content on the stability，electronic structure and optical properties of the GaN/ZnO solid solution models.The results show that both the formation energy and binding energy of the ZnO/GaN solid solution are negative values，indicating that the structure is stable.With the increase of ZnOconcentration，the band gap of the solid solution firstlyshows a downward trend，and then shows a slight upward trend.ForGaN/ZnO solid solutions with ZnO content ranging from 13.89%to 22.22%，it can be observed that the light absorption peak intensity has strong visible absorption.This paper provides a theoretical guide by the design and preparation of GaN/ZnO solid solution photocatalytic materials to tailor the energy band structure and light absorption properties of GaN/ZnO solid solutions using ZnO.

Keywords：GaN/ZnO solid solution;photocatalysis;first-principlescalculation;catalytic material design

自1972年發(fā)現(xiàn)用于光催化析氫的TiO2以來(lái)[1]，半導(dǎo)體光催化已被證明是解決能源問(wèn)題的有效且有前景的策略。雖然對(duì)紫外光響應(yīng)的光催化劑進(jìn)行了大量研究，并獲得一定成果，但是由于紫外光在太陽(yáng)光譜中大約僅占5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），要利用更多太陽(yáng)能，開發(fā)穩(wěn)定、高活性、廉價(jià)的具有可見(jiàn)光響應(yīng)的光催化劑是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光催化制氫的根本途徑。

開發(fā)高性能用于分解水的光催化劑需要滿足能夠最大限度地吸收和利用太陽(yáng)光的帶隙（1.2～3.0 eV）、以及合適的帶邊位置以跨越水的氧化還原電位[2]。

作為眾多固溶體中一種較有前景的制氫光催化劑，GaN/ZnO固溶體由Maeda等在2005年首次報(bào)道[3]，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)GaN/ZnO固溶體具有較高的紫外和明顯的可見(jiàn)光全分解水能力。GaN和ZnO都為寬禁帶半導(dǎo)體，帶隙分別是3.4 eV[4]和3.2 eV[5]，這限制了它們對(duì)可見(jiàn)光的利用率。但是GaN和ZnO都為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)并且晶格常數(shù)接近（GaN晶格常數(shù)為：a=b=0.319 nm，c=0.519 nm；ZnO晶格常數(shù)為：a=b=0.325 nm，c=0.521 nm），使二者形成固溶體成為了可能[3，6–7]。

雖然目前GaN/ZnO固溶體已實(shí)現(xiàn)了ZnO含量的全范圍調(diào)控[8]，且GaN/ZnO固溶體的帶隙大小與可見(jiàn)光吸收性能在理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)上已有研究[9–11]。但是，部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明催化活性最好的并不是ZnO含量最高和可見(jiàn)光吸收最強(qiáng)的固溶體，而是ZnO固溶物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)在12.50%至25.00%左右的固溶體[12–14]。但是，采用不同方法制備出來(lái)的GaN/ZnO固溶體，在相同的ZnO含量條件下，其帶隙值大小是不一樣的。Zn、O原子取代Ga、N原子形成固溶體過(guò)程中是否均勻取代，其在晶格中的具體占位如何以及原子尺度下是否存在微小的成分偏聚現(xiàn)象仍不明確。

本文采用基于第一性原理[15]的密度泛函理論方法研究不同取代濃度條件下Zn、O原子隨機(jī)取代Ga、N原子的GaN/ZnO固溶體對(duì)帶隙以及可見(jiàn)光吸收的影響，為設(shè)計(jì)新型可見(jiàn)光催化劑提供理論依據(jù)。

1理論模型與計(jì)算方法

1.1理論模型

本文采用的是36個(gè)GaN結(jié)構(gòu)單元的3×3×2的超胞結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)，通過(guò)替換1～35個(gè)GaN單元，得到不同ZnO物質(zhì)的量的GaN/ZnO固溶體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。為了得到全組分范圍的結(jié)構(gòu)模型，每種固溶體隨機(jī)產(chǎn)生了10種不同Zn與O原子占位的結(jié)構(gòu)。因此，共構(gòu)建了350個(gè)隨機(jī)固溶體結(jié)構(gòu)模型。本文將不同ZnO物質(zhì)的量的GaN/ZnO固溶體表述為（GaN）36-x（ZnO）x（36為晶胞模型中的GaN與ZnO結(jié)構(gòu)單元的總和，x為晶胞模型中ZnO的結(jié)構(gòu)單元數(shù)）。

1.2計(jì)算方法

采用密度泛函理論計(jì)算研究GaN/ZnO固溶體的晶格結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)與光學(xué)性質(zhì)，所有計(jì)算均使用Vienna Ab initio simulation package（VASP）[16–17]軟件完成。采用投影綴加波（projected augmented wave，PAW）方法[18–19]描述電子與離子間的相互作用，采用基于廣義梯度近似（generalized fradient approximation，GGA）的Perdew-Brke-Ernerhof（PBE）[20]方法描述交換關(guān)聯(lián)作用。平面波截?cái)嗄転?00 eV，布里淵區(qū)積分計(jì)算采用以Gamma點(diǎn)為中心的Monkhorst-Pack方案，選取3×3×2的k點(diǎn)網(wǎng)格。使用共軛梯度算法松弛所有原子位置和晶格常數(shù)。電子自洽過(guò)程的收斂標(biāo)準(zhǔn)為1.0×10?5 eV/原子，幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化中力的收斂標(biāo)準(zhǔn)為0.01 eV/?（1?=0.1nm）。采用Heyd-Scuseria-Ernzerhof（HSE06）[21]的雜化密度泛函進(jìn)一步研究了光學(xué)性質(zhì)。

固溶體的形成能與結(jié)合能計(jì)算公式如下：

Ef=E（Tot）-Σn·E（xbulk）（1）

Eb=E（Tot）-Σn·E（xatom）（2）

式中：Ef為形成能；Eb為結(jié)合能；E（Tot）為固溶體總能量；x代表固溶體中的各組分元素；E（xbulk）為固溶體中x元素對(duì)應(yīng)單質(zhì)的能量；E（xatom）為固溶體中x元素對(duì)應(yīng)自由原子的能量；n為在固溶體中x原子的數(shù)量。

作為光催化的一個(gè)重要前提就是需要對(duì)可見(jiàn)光具有一個(gè)良好的響應(yīng)。而響應(yīng)能力可以通過(guò)可見(jiàn)光區(qū)域內(nèi)的光吸收性能[22]來(lái)進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)DFT計(jì)算介電函數(shù)，可以計(jì)算材料的光吸收系數(shù)[23]。

介電函數(shù)，光吸收系數(shù)計(jì)算公式如下：

ε（！）=ε1（！）+iε2（！）（3）

I（！）=p2！[1ε1（！）2+ε2（！）2-ε1（！）]1/2（4）

式中：ω為頻率；ε1（ω）為介電函數(shù)的實(shí)部；ε2（ω）為介電函數(shù)的虛部；I（ω）為光吸收系數(shù)。

2結(jié)果與討論

2.1 GaN/ZnO固溶體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

圖2為（GaN）36-x（ZnO）x固溶體形成能與結(jié)合能的分布。由圖2可知，所設(shè)計(jì)的固溶體，經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，計(jì)算出所有GaN/ZnO固溶體結(jié)構(gòu)的形成能與結(jié)合能均為負(fù)值。因此可以認(rèn)為固溶體是熱穩(wěn)定的。

2.2電子結(jié)構(gòu)分析

為了分析ZnO物質(zhì)的量對(duì)GaN/ZnO固溶體能帶結(jié)構(gòu)的影響，本文計(jì)算了350個(gè)GaN/ZnO固溶體結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的帶隙大小，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，隨著GaN/ZnO固溶體中ZnO物質(zhì)的量的增多，固溶體結(jié)構(gòu)的帶隙首先呈快速下降趨勢(shì)，后大體穩(wěn)定于0.05 eV左右，當(dāng)固溶體中ZnO物質(zhì)的量較多時(shí)，帶隙最終小幅增加至0.20 eV，帶隙大小整體呈現(xiàn)先減小后逐漸穩(wěn)定最后增加的趨勢(shì)。其中富ZnO區(qū)域相對(duì)于富GaN區(qū)域的帶隙減少更為顯著。基于理論計(jì)算的一種推測(cè)是，帶隙的減少是由Zn-N鍵的增加引起的。由于GaN/ZnO固溶體中ZnO的物質(zhì)的量可連續(xù)增加，故GaN/ZnO固溶體可以實(shí)現(xiàn)帶隙的連續(xù)調(diào)控。

能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算中GGA-PBE方法固有的低估激發(fā)態(tài)電子間相互作用的缺點(diǎn)，使計(jì)算所得GaN/ZnO固溶體帶隙值偏小。通過(guò)與相關(guān)研究[24–26]比較，本文所計(jì)算帶隙值整體偏小約2 eV，同時(shí)可以觀察到和文獻(xiàn)一致的整體帶隙分布趨勢(shì)，本文計(jì)算結(jié)果從定性的角度與文獻(xiàn)的結(jié)果具有一致性。實(shí)際GaN/ZnO固溶體的帶隙會(huì)比計(jì)算值更大，有利于可見(jiàn)光的吸收。

為了進(jìn)一步分析不同摻雜濃度GaN/ZnO固溶體的電子在各個(gè)軌道上的分布情況，分別計(jì)算了GaN與ZnO本征半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)與態(tài)密度，如圖4所示。分別選取了GaN/ZnO固溶體中ZnO物質(zhì)的量最小（（GaN）35（ZnO）1）、物質(zhì)的量適中（（GaN）18（ZnO）18）和物質(zhì)的量最大（（GaN）1（ZnO）35）的3種最具有代表性的結(jié)構(gòu)做能帶與態(tài)密度分析，如圖5所示。

由圖 4 可知，GaN的導(dǎo)帶底部由 Ga 的 4s 和 4p 軌道構(gòu)成，價(jià)帶頂部主要由 N 的 2p 軌道構(gòu)成。ZnO的導(dǎo)帶底部由 Zn 的 4s 軌道構(gòu)成，價(jià)帶頂部主要由 O 的 2p 軌道構(gòu)成。由圖 5（ a）、（b）可知隨著GaN/ZnO固溶體中ZnO物質(zhì)的量的增加，GaN/ZnO固溶體導(dǎo)帶底部依舊由 Ga 的 4s 和 4p 軌道構(gòu)成，價(jià)帶頂部則逐漸由 N 的 2p 和 Zn 的 3d 軌道構(gòu)成。由于 N 的 2p 和 Zn 的 3d 軌道之間存在 p-d 軌道排斥作用，導(dǎo)致材料中的價(jià)電子在占據(jù)價(jià)帶時(shí)需要躍遷到較高能級(jí)的狀態(tài)，從而導(dǎo)致價(jià)帶位置的提升，因此禁帶寬度會(huì)減小。由圖 5（c）可知，當(dāng)GaN/ZnO固溶體中GaN物質(zhì)的量較少時(shí)，固溶體電子結(jié)構(gòu)與本征ZnO類似。

富含GaN的（GaN） 35（ZnO） 1 模型比富含ZnO的（GaN）1（ZnO）35 模型表現(xiàn)出更為平坦的價(jià)帶頂和更窄的帶隙。這表明，ZnO濃度較高的GaN/ZnO固溶體的有效質(zhì)量更大，從而限制了光生載流子的擴(kuò)散。這也可以解釋實(shí)驗(yàn)上觀察到的催化活性最好的并不是ZnO物質(zhì)的量最高和可見(jiàn)光吸收最強(qiáng)的固溶體。

2.3光吸收性能分析

光催化半導(dǎo)體的可見(jiàn)光吸收性能與催化效率密切相關(guān)，因?yàn)榭梢?jiàn)光吸收能力不足會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)活性中心的數(shù)量減少，限制光催化性能。因此，本文計(jì)算了本征GaN、本征ZnO和ZnO物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)在25.00%內(nèi)的GaN/ZnO固溶體的光吸收性能。

如圖6所示。本征GaN的最大吸收峰在407 nm左右，本征ZnO的最大吸收峰在500 nm左右。ZnO物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)在25.00%內(nèi)的GaN/ZnO固溶體在可見(jiàn)光區(qū)都表現(xiàn)出顯著的吸收峰。如圖6（c）～（f），對(duì)于ZnO物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)在11.11%（晶胞模型中ZnO個(gè)數(shù)小于5）以內(nèi)且具有相同ZnO摻雜濃度的GaN/ZnO固溶體模型中，可以觀察到類似的吸收趨勢(shì)。每種模型的主吸收峰都在可見(jiàn)光區(qū)內(nèi)，且隨著固溶體中ZnO物質(zhì)的量的增加，吸收峰發(fā)生明顯紅移。

如圖6（g）～（j），當(dāng)ZnO物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)在13.89%至22.20%（晶胞模型中ZnO個(gè)數(shù)為5～9）并且具有相同ZnO物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)的GaN/ZnO固溶體模型中，可以觀察到光吸收峰強(qiáng)度在可見(jiàn)光區(qū)各個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)均有較強(qiáng)吸收，并且隨著ZnO物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)的增加，其平均光吸收峰強(qiáng)度有一定程度上的增強(qiáng)。部分固溶體的主吸收峰相對(duì)GaN與ZnO發(fā)生紅移，說(shuō)明固溶體不單是GaN與ZnO的簡(jiǎn)單混合，而是GaN/ZnO固溶體這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致材料的性質(zhì)得到改變。以上可以解釋實(shí)驗(yàn)上觀察到的ZnO固溶物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)在12.50%至25.00%的固溶體的光催化活性較強(qiáng)。

增加GaN/ZnO固溶體中ZnO物質(zhì)的量會(huì)顯著增強(qiáng)其對(duì)可見(jiàn)光的響應(yīng)，導(dǎo)致在可見(jiàn)光區(qū)域形成吸收峰并在一定程度上產(chǎn)生吸收峰的紅移。這種現(xiàn)象可以歸因于ZnO摻雜引入了雜質(zhì)能級(jí)，從而減小了帶隙，并增加了GaN/ZnO固溶體對(duì)可見(jiàn)光的利用效率。引入的雜質(zhì)能級(jí)有利于實(shí)現(xiàn)電子躍遷，并有效抑制光生載流子的復(fù)合，從而提高GaN/ZnO固溶體的光催化活性。上述結(jié)果和分析表明GaN/ZnO固溶體光催化劑，可以有效地提高可見(jiàn)光區(qū)域的光催化水分解反應(yīng)的效率和性能。

3結(jié)論

研究了不同ZnO物質(zhì)的量對(duì)GaN/ZnO固溶體帶隙大小的影響。隨著ZnO物質(zhì)的量的增加，固溶體結(jié)構(gòu)的帶隙大小首先快速下降，后逐漸穩(wěn)定并最終略微增加。其中，富ZnO區(qū)域相對(duì)于富GaN區(qū)域的帶隙減少更為顯著。另外，ZnO引入的能級(jí)減小了帶隙，增加了GaN/ZnO固溶體對(duì)可見(jiàn)光的利用效率。本文還計(jì)算了ZnO物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)在25.00%內(nèi)的GaN/ZnO固溶體的光吸收性能，并發(fā)現(xiàn)增加固溶體中ZnO物質(zhì)的量會(huì)顯著增強(qiáng)其對(duì)可見(jiàn)光的響應(yīng)。根據(jù)這些結(jié)果和理論分析，GaN/ZnO固溶體催化劑可以有效地提高可見(jiàn)光區(qū)域的光催化水分解反應(yīng)的效率和性能。

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文章編號(hào)：2096?2983（2024）02?0039?07 DOI：10.13258/j.cnki.nmme.20230325001

引文格式：王前力，張錦，陳慧琳，等．GaN/ZnO固溶體電子結(jié)構(gòu)與光學(xué)性質(zhì)的第一性原理研究[J]．有色金屬材料與工程，2024，45（2）：39-45．DOI：10.13258/j.cnki.nmme.20230325001．WANG Qianli，ZHANGJin，CHENHuilin，et al．First-principles study on the electronic structure and optical properties of GaN/ZnO solid solution[J]．Nonferrous Metal Materials and Engineering，2024，45（2）：39-45.