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CdxZn1-xO合金热力学性质的第一性原理研究
  • ISSN号:1000-3290
  • 期刊名称:《物理学报》
  • 时间:0
  • 分类:O623.11[理学—有机化学;理学—化学]
  • 作者机构:[1]有机化工新材料湖北省协同创新中心,功能材料绿色制备与应用教育部重点实验室,湖北大学材料科学与工程学院,武汉430062, [2]湖北大学物理与电子技术学院,武汉430062
  • 相关基金:国家自然科学基金(批准号:51572073,61274010,11574074); 湖北省自然科学基金(批准号:2015CFB265,2015CFA038); 教育部高等学校博士学科点专项科研基金(批准号:20124208110005,20124208120006)资助的课题.
中文摘要:

ZnO的能带工程是当前ZnO研究的热点之一通过等价阳离子如Cd,Be,Mg等部分取代Zn形成CdZnO,BeZnO,MgZnO等合金来调控ZnO带隙的研究己广泛开展.其中,Cd的掺杂可以减小ZnO的禁带宽度,使CdZnO合金在紫外一可见光波段光电器件中具有潜在的应用价值.本文利用第一性原理计算结合集团展开法,通过研究纤锌矿(WZ)和岩盐矿(RS)型CdxZn1-xO合金不同Cd掺杂含量下各种构型的形成能,发现了纤锌矿结构的两种亚稳相Cd1/3Zn2/3O,Cd2/3Zn1/3O;对其晶格常数·键长·键角和电子结构的分析表明,随着Cd掺杂量的增大,晶格常数a,c均逐渐增大,而c/a值逐渐减小,O—Zn(Cd)—O键角及合金禁带宽度均逐渐减小.通过对CdxZn1-xO合金的有效集团交互系数的分析得出,两个原子组成的集团中其有效集团交互系数最大,表明两原子集团对用集团展开法计算的形成能贡献最大.通过比较第一性原理计算的形成能和集团展开法拟合计算得到的形成能,发现两者相差很小,表明采用集团展开法拟合计算CdxZn1-xO合金的形成能准确、可靠,通过对大量CdxZn1-xO合金的形成能分析发现,大部分CdxZn1-xO的形成能比同组分的ZnO与CdO混合相的能量高,表明ZnO和CdO互溶时会形成固溶度间隙,低温下难以实现全组分固溶.在此基础上,我们计算了WZ-和RS-CdxZn1-xO随机合金的形成能并得到了相图.对于纤锌矿结构,其临界温度为1000 K;对于岩盐矿结构,其临界温度为2250 K.更高的临界温度表明CdxZn1-xO难以形成岩盐矿结构的合金.进一步计算获得WZ-和RS-CdxZn1-xO的两相相图,发现Cd较易固溶于WZ-ZnO中,而Zn较难固溶于RS-CdO中.

英文摘要:

Bandgap engineering is one of the keys to practical applications of ZnO.Using ternary ZnMeO(Me=Be,Mg,Cd,etc.) alloys to regulate the bandgap of ZnO has been widely studied.Alloying ZnO with CdO to form CdxZn1-xO is an effective way to narrow down the bandgap of ZnO.With its narrower bandgap,CdxZn1-xO is a promising candidate for fabricating optoelectronic devices operable in the UV-visible wavelength region.In this work,we study the thermodynamic properties of CdxZn1-xO alloys of both wurtzite(WZ) and rock salt(RS) structures by first-principles calculations based on density functional theory(DFT) combined with the cluster expansion approach.The effective cluster interactions(ECIs) fitted formation energies agree well with the DFT-calculated formation energies for different compositions and structures correspondingly,validating the cluster expansion approach in calculations of the formation energy for CdxZn1-xO alloys.It is found that,for both WZ-CdxZn1-xO and RS-CdxZn1-xO alloys,the ECIs involve pair,triplet and quadruplet interactions:the pair interactions are dominant and contribute mostly to the formation energy.The first-and second-neighbor pair interaction parameters of WZ-CdxZn1-xO are positive,which indicates a tendency of ordering in WZ-CdxZn1-xO.For RS-CdxZn1-xO alloys,the nearest-neighbor pair interaction is negative,indicating a tendency to phase separation.The dominant positive second-neighbor pair interaction,however,appears to favor the ordering tendency.For both the WZ-CdxZn1-xO and RS-CdxZn1-xO alloys,the calculated formation energy of most structures is positive in the whole composition range,except for WZ-CdxZn1-xO with Cd concentrations of 1/3and 2/3.Then,the crystal and electronic band structures of the metastable WZ-Cd1/3Zn2/3O and WZ-Cd2/3Zn1/3O are calculated.It turns out that both lattice constants a and c increase while the value of c/a and the bond angle of O Zn(Cd) O decrease with increasing Cd concentration in the WZ-CdxZn1-xO alloys.Analyses of the band stru

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期刊信息
  • 《物理学报》
  • 北大核心期刊(2011版)
  • 主管单位:中国科学院
  • 主办单位:中国物理学会 中国科学院物理研究所
  • 主编:欧阳钟灿
  • 地址:北京603信箱(中国科学院物理研究所)
  • 邮编:100190
  • 邮箱:apsoffice@iphy.ac.cn
  • 电话:010-82649026
  • 国际标准刊号:ISSN:1000-3290
  • 国内统一刊号:ISSN:11-1958/O4
  • 邮发代号:2-425
  • 获奖情况:
  • 1999年首届国家期刊奖,2000年中科院优秀期刊特等奖,2001年科技期刊最高方阵队双高期刊居中国期刊第12位
  • 国内外数据库收录:
  • 美国化学文摘(网络版),荷兰文摘与引文数据库,美国工程索引,美国科学引文索引(扩展库),英国科学文摘数据库,日本日本科学技术振兴机构数据库,中国中国科技核心期刊,中国北大核心期刊(2004版),中国北大核心期刊(2008版),中国北大核心期刊(2011版),中国北大核心期刊(2014版),中国北大核心期刊(2000版)
  • 被引量:49876