可见光波段掺杂ZnO纳米薄膜的宽带隙一维光子晶体的理论研究与设计

可见光波段掺杂ZnO纳米薄膜的宽带隙一维光子晶体的理论研
究与设计
氧化锌本身禁带宽度为3.37 eV,激子结合能高达60 meV,且原料丰富,价格低廉,ZnO薄膜具有良好的透明导电性、压电性、光电性、气敏性、压敏性等优
异的性质使其在各行各业具有了广泛的用途。

而纳米级别的氧化锌是一种新型高功能精细产品,因其具有一些纳米效应而在许多领域都有重要的应用。

近年来,围绕ZnO透明增透薄膜的研究在各个领域充分展开,尤其是关于不
同元素的掺杂,但是大多集中在宏观尺度。

考虑到纳米薄膜在制备上存在一定的难度,因此氧化锌纳米薄膜的应用受到一定的限制。

为了对氧化锌纳米薄膜甚至是掺杂后的薄膜的性质有所了解,因此本文中主要是应用密度泛函理论的计算方法,从原子层次上通过控制氧化锌薄膜的尺寸在纳米厚度,来探讨不同元素掺杂对薄膜性质的影响,以期为氧化锌薄膜在光电器
件上的发展提供理论指导和预测。

随后在结构上选择搭配以本身体积较小的光子晶体结构来探索其性质的变化,即结合基于传输矩阵法的Translight软件,设计了B掺杂的氧化锌纳米薄膜和硅组合构建的一维光子晶体多层膜结构,并通过参数(周期层数、单胞参数和填充比)的改变来探讨不同参数设置对带隙的影响规律。

计算结果如下:(1)搭建的氧化锌(0001)纳米薄膜4层结构为一个周期。

通过从4层到24层表面结构的优化分析,当层数达到12层时其表面能已经达到了一个足够稳定的状态。

基于吸收(A)、反射率(R)和透射率(T)的关系,即R+A+T=1,可以得出这样的
结论:透射率与反射率和吸收系数成反比。

而ZnO纳米薄膜的吸收和反射率均要比块体相对较低。

因此,薄膜的透射率要高于块体,尤其是对于12层结构。

(2)在对12层结构进行掺杂不同元素(Al、B、Si、Ti)以后,以同样的方法进行数据的整理和分析,发现不同元素的掺杂对光学性质的影响规律是不一样的。

首先四种不同元素替换锌以后所得的结合能均为负值,表示替换后的体系均能够稳定存在。

其次在可见光范围内,Al和B掺杂的ZnO纳米薄膜可以降低材料的吸收系数,有被用作增透膜的潜力。

总的来看硼掺杂所得氧化锌纳米薄膜透射系数最大,其导电性也要优于块体结构,这完全符合透明导电增透膜的要求。

(3)将B掺杂的氧化锌纳米薄膜和硅组合成为一维光子晶体多层膜结构,并观察不同单胞参数、周期层数以及填充比对带隙的影响。

结果表明:就周期层数来看,当大于等于8后,带隙的反射率几乎已经达到100%。

因此在后续计算中我们选取周期数N=8。

在其他参数一致的情况下,单胞参数的增大导致光子带隙的宽度在明显增宽,且其中心波长的位置向长波段方向移动,为了使带隙尽可能覆盖可见光波段,选取单胞参数为100 nm。

随着填充比增大,光子带隙的中心波长同样向长波长方向移动,并且带隙的宽度经历了一个先变宽后变窄的变化,因此一定要在保证带隙的宽度以及所在波段的情况下选择合适的填充比,这里选择0.4。

在这些参数下得到的结构所得禁带增宽到几乎可以覆盖整个可见光波段(421.65-728.40 nm)。