3d过渡金属掺杂氮化铜的第一性原理研究
氮化铜（Cu3N）薄膜是一种在常温下处于亚稳态的半导体材料。它的热分解温度仅为300-450℃，有较高的电阻率以及在红外光和可见光波段有较低的反射率，已成为日前光电存储和电子集成领域中倍受人们青睐的新材料。Cu3N晶胞属于反三氧化铼（anti-ReO3）型立方结构，空间群为Pm3m（221）。Cu原子占据立方晶胞边线的中心，N原子占据立方晶胞的顶点。由于Cu原子未能占据晶格（111）面的紧密位置，在立方结构中留下了许多空隙，使得这种结构极为特别。当Cu原子或者其他原子填充到这些空隙位置，会引起薄膜光学和电学等性质的显著变化。 本论文的中心点是利用以密度泛函理论为基础的第一性原理相关方法，通过WIEN2k软件，对Cu3N及3d过渡金属掺杂Cu3N（Cu3NM：M=Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni）进行系统的理论计算。首先我们对Cu3N及Cu3NM进行了结构优化，得到最适宜的晶格常数；然后利用得到的最适宜晶格常数，计算反映Cu3N及Cu3NM电学性质的态密度，能带结构和电荷密度；再计算Cu3N及Cu3NM的结合能，弹性常数和复介电函数等相关参量。本文主要研究了3d过渡金属掺杂对Cu3N结构和性能的影响。结果表明： （1）Cu3N晶胞体积随着3d过渡金属原子序数的增大，以Mn原子为临界点，晶格先膨胀后收缩； （2）所有的Cu3NM均由掺杂前的间接带隙半导体转变为导体，光学带隙消失。在纯 Cu3N中以Cu的3d轨道电子和N的2p轨道电子结合为主导转变为掺杂后Cu的3d轨道电子和掺杂原子M的3d轨道电子相结合为主导，掺杂原子M的加入弱化了Cu-N键的相互作用；（3）结合能的计算结果表明从理论上来说，在实验室制备3d过渡金属掺杂Cu3N比制备纯Cu3N更容易实现。掺杂后的系统弹性常数满足稳定性条件，即所有的掺杂Cu3N都是稳定的，并且都属于延展性材料。
氮化铜;过渡金属;第一性原理;电学性质;光学性质
南京邮电大学
硕士
光学
李兴鳌
2014
中文
TN304.21
53
2015-07-01（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）