La摻雜對SnO2薄膜光學(xué)特性影響的第一性原理及實(shí)驗研究

　　采用密度泛函理論的第一性原理平面波超軟贗勢方法探討了La 摻雜對SnO2光學(xué)特性的影響，并通過(guò)實(shí)驗進(jìn)行驗證。理論分析表明，由于La 的摻入，費米能級上移進(jìn)入導帶，禁帶寬度變小，介電函數虛部與吸收譜發(fā)生紅移。實(shí)驗結果表明La 摻雜并沒(méi)有改變晶型結構，晶格常數略微增大，晶粒尺寸減小。薄膜在可見(jiàn)光區的透過(guò)率除7% La 摻雜外均超過(guò)80%，且隨摻雜濃度增加禁帶寬度逐漸減小，實(shí)驗結果與理論計算結果相互驗證，為稀土摻雜SnO2的研究提供依據。

　　第一代半導體材料以鍺、硅為代表，第二代以GaAs、InP 等化合物為代表，現在人們越來(lái)越關(guān)注第三代半導體，即寬禁帶半導體，如SnO2等。SnO2空間群為P42/mnm，室溫下禁帶寬度為3.6 eV，激子束縛能高達130meV。正是由于較高的激子束縛能，使得SnO2為基的半導體材料有望成為更有發(fā)展潛力的光電材料。SnO2摻雜形成的材料因具有更高的電導率和光學(xué)透過(guò)率，廣泛用于太陽(yáng)能電池、有機半導體儀器中的有效電極，以及平板顯示、傳感器等方面，是當前功能材料研究領(lǐng)域和工業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。

　　摻雜元素的不同使得SnO2的性能發(fā)生改變，因而，摻雜對SnO2材料光電性能影響的研究倍受關(guān)注，而稀土元素具有獨特的4f 電子結構，其原子磁矩、自旋軌道耦合較強，形成配合物時(shí)的配位數在2 ～3變化，使它顯示出的特殊性質(zhì)逐漸成為SnO2摻雜體系研究的重點(diǎn)。Evandro等用溶膠凝膠法制備了稀土(Er，Eu) 摻雜SnO2薄膜，樣品PL 譜的峰值發(fā)生了不同的位移。李健等采用真空氣相沉積法研究了Nd摻雜SnO2薄膜，摻雜后薄膜透光率下降。Li等通過(guò)水熱法制備La摻雜SnO2樣品，隨摻雜濃度增加，樣品晶粒尺寸減小并具有更好的分散性。雖然對稀土摻雜SnO2的改性進(jìn)行了一定研究，但因實(shí)驗的工藝條件不同，且影響樣品微觀(guān)結構的因素極其復雜，又缺少摻雜元素對電子結構影響的詳細研究，從而導致對摻雜改性的機理說(shuō)法不一，改性效果也大相徑庭，而利用計算機對其進(jìn)行模擬計算，既克服實(shí)驗因素的影響，又突出了摻雜效應中的主要因素。Ph. Barbarat 等用第一性原理研究了SnO2的電學(xué)、光學(xué)和化學(xué)鍵性質(zhì)，分析了化學(xué)鍵與光學(xué)性質(zhì)間的關(guān)聯(lián)性。于峰等基于第一性原理的線(xiàn)性綴加平面波方法研究Al 摻雜SnO2材料，發(fā)現隨Al 摻雜量的增加帶隙逐漸增寬，且態(tài)密度整體向高能方向發(fā)生移動(dòng)。

　　目前為止，對于第一性原理的研究大多數都集中在F、Sb、In、Fe上，對稀土摻雜SnO2報道較少，本文結合理論與實(shí)驗對La 摻雜SnO2薄膜的光學(xué)性能進(jìn)行分析，并為以后研究提供相應的參考依據。

　　4、結論

　　基于理論與實(shí)驗兩方面對La-SnO2薄膜進(jìn)行研究。理論計算表明La 摻雜SnO2后帶隙減小，Fermi能級上移進(jìn)入導帶，晶體呈金屬性，同時(shí)ε2和吸收譜均向底能方向移動(dòng)。實(shí)驗結果表明摻雜后薄膜物相未發(fā)生改變，但晶粒尺寸減小，晶格常數略微增大。另外，樣品的透光率均達80% 以上除7% La外，Eg減小，且有紅移的趨勢。由于吸收譜發(fā)生紅移，可提高SnO2光催化活性，降低催化成本，擴大了應用范圍，具有良好的經(jīng)濟效益。