1、 目 录1论文研究的背景、研究目的和意义 .31.1 课题来源 .31.2 论文提出的背景 .31.3 论文研究的意义 .32.国内外同一研究领域的现状与趋势分析 .32.1 国内研究 .32.2 国外研究 .32.3 趋势分析 .33.论文研究的相关概念界定 .43.1 第一性原理 .44.论文研究的相关理论 .44.1 密度泛函理论 .44.2 能带理论 .45. 论文研究的目标和内容 .45.1 论文研究的目标 .45.2 论文研究的内容 .45.3 本论的创新之处 .46.论文研究的方法 .46.1 文献法 .46.2 计算方法与软件 .56.5 数据分析法 .57.论文研究的主要步骤
2、 .57.1 研究手段 .57.2 实验方案 .58. 论文研究的成果形式及计划 .58.1 论文工作量 .58.2 年度研究计划 .58.3 论文拟定框架目录 .69. 论文主要参考资料 .621论文研究的背景、研究目的和意义1.1 课题来源论文指导教师自命题。1.2 论文提出的背景近几年来，科技的发展，电子材料成为了材料领域的精华部分，他们具有某些特定的功能，满足特定的需求。其中，透明导电氧化物薄膜材料（transparent conducting film） ，一直占据着极其重要的地位，在科学发展、经济发展的各个领域有着不容忽视的意义和作用。而 ZnO 薄膜又是最有潜力的选择，具有以下优
3、异的特点：高的熔点、高激子束缚能，良好的机电藕合性、制备成本低、制备工艺简单等，因此，受到了研究者们的广泛关注。新的薄膜制备工艺，新应用层出不穷；同时随着相关掺杂理论、能带理论、晶体结构理论、杂化轨道理论进一步的发展，以及对器件性能要求的不断提高，对 ZnO 类透明导电薄膜提出了更高的要求。1.3 论文研究的意义计算材料学的兴起使研究者通过理论计算预测新材料的组织成分、结构和性能，深入研究了解材料电子结构、能带和光学性质等基本性质，从电子层面上来设计所研究的材料，不但可以提供模拟实验的结果，而且还可以在制备材料前设计材料并预报其性能。氧化锌作为近年来发展起来的新型光电子材料，尽管目前对其电子结
4、构、缺陷、掺杂改性等方面进行了非常大量的研究，但其确切的缺陷电子结构、电学性能、光学性能等相关研究还存在着一定分歧。本文通过对氧化锌电子结构以及部分光学性质进行研究，并利用其电子结构来预测其宏观特性，为发展和利用新型氧化锌光电子材料做一些较基础性的研究工作。2.国内外同一研究领域的现状与趋势分析2.1 国内研究ZnO 薄膜在发光领域的应用研究得到了广泛的重视，浙江大学季振国等人在石英玻璃衬底上制备出C 轴择优生长取向的 ZnO 薄膜，吉林大学王金忠等人在蓝宝石上获得了 XRD 半高宽的 单一取向的015.ZnO 薄膜，中科大在 ZnO 外延层和衬底上生长 Zn 缓冲层，获得了择优取向的 ZnO
5、 薄膜，山东大学制备出了具有快速紫外光响应的六角密排结构的 ZnO 薄膜。ZnO 薄膜在紫外光方面的研究已经成为非常活跃的课题。2.2 国外研究早在上世纪六十年代，ZnO 材料就已被观察到具有紫外受激辐射现象，到 1996 年 ZnO 微晶薄膜获得了紫外激光的输出，ZnO 才又重新引起了人们的注意。1997 年，美国科学杂志发表了题为“Will UV Laser Beat the Blues？”文章，称 ZnO 薄膜紫外发光发射研究见是一项伟大的工程。随后，D.M.Bagnall 和 Z.Zu 等人率先报道了通过分子束外延法（MBE）制备的 ZnO 薄膜的室温光泵紫外手机发射现象，此研究成为
6、ZnO 基半导体短波光电材料与器件研究的里程碑。同时他们对 ZnO 薄膜的光致发光特性，尤其是激发光发射行为进行了较为详细的研究，其中包括自形成 Fabricy-Perot 微腔效应观察。美国曹慧等人在 ZnO 多晶粉末薄膜上观测到的自形成谐振腔随机紫外激光最具代表性。2.3 趋势分析ZnO 材料优良的性质,还逐渐认识到其在制作表面声波器件、紫外光电器件、气体传感器、透明导电膜、太阳能电池以及平面板显示器等方面的重要地位. 然而我们也发现过去的研究主要是针对 n 型 ZnO材料,而对于 p 型材料的研究较少,这主要是由于 ZnO 半导体材料存在高度自补偿作用, 很难实现 p 型转变。但是为了充
7、分发挥 ZnO 材料在器件等实际应用上的作用,研究人员不得不去攻克 p 型材料研究中的困难,因此近几年对于 p 型材料的研究也在逐渐升温. 此外,像 ZnO 薄膜的紫外受激发光 3 等新特性的发现,3也必将带来 ZnO 材料研究新的课题 . 3.论文研究的相关概念界定3.1 第一性原理第一性原理有两种概念，分别是广义的和狭义的。首先，狭义的角度上说的第一性原理，指的是从头算起计算，是采用电子、中子质量、光速等很少量的实验数据进行量子计算，而不需要使用经验或规律的数据。另外，被称作是广义的第一性原理计算则是指以相关的自洽场计算作为理论基础的从头算方法，同时囊括了密度泛函理论计算。4.论文研究的相
8、关理论4.1 密度泛函理论密度泛函理论(DFT)是第一性原理近似计算理论之一，其基本思想就是利用粒子密度来描述多电子原子、分子与固体的基本性质。因系统含有多个或大量的粒子，系统中粒子间存在相互作用，对于多粒子系统的电子能级的计算必须采用一些有效的近似和简化。其主要近似有:(l)将原子核和电子运动分开的绝热近似方法;(2)将多电子转化为单电子问题的自洽场近似方法;(3)局域密度近似或广义梯度近似方法。近似计算主要方程为多电子体系薛定愕方程。4.2 能带理论固体能带理论为电子在固体中运动的一个近似理论，它是建立于 Bloch 理论之上，并能通过量子力学方法来确定固体电子能带(能级 )。我们可以通过
9、利用能带理论来进一步解释和阐明固体的电导率、光介电函数等很多的基本性质。 5. 论文研究的目标和内容5.1 论文研究的目标通过对 ZnO 薄膜电子结构及光学性质的第一性原理的计算和分析，具有良好的透明导电性、压电性、光电性、气敏性、压敏性、且易与多种半导体材料实现集成化。由于这些优异的性质，使其具有广泛的和许多潜在用途，如表面声波器件、平面光波导，透明电极，透明导电膜、紫外光探测器、压电器件、压敏器件、紫外发光器件、气敏传感器等。而这些器件的开发都依赖于对 ZnO 薄膜光学性质的深入了解。固体能带理论是固体电子论的基础和支柱，固体的许多基本物理性质原则上都可由固体的能带理论阐明和解释。因此，研
10、究 ZnO 的光学性质和能带具有重要意义。5.2 论文研究的内容本次论文研究将通过对 ZnO 薄膜光学性质的第一性原理的研究，来判断 ZnO 薄膜的光学性质，以此来推断薄膜的作用和 ZnO 薄膜的未来应用前景。1.通过计算分析讨论 ZnO 结构以及现今对 ZnO 的研究。2.计算研究了 ZnO 薄膜的结构和光电学性能，通过分析能带结构和态密度，讨论导电性能的物理机制。3 了解现今科技对 ZnO 薄膜的应用与发展。5.3 本论的创新之处将计算数据与实际应用相结合，将 ZnO 薄膜的应用更加完善。6.论文研究的方法主要采用文献法、计算法，对比法（与实验数据做对比）6.1 文献法文献法也称历史文献法
11、，就是搜集和分析研究各种现存的有关文献资料，从中选取信息，以达到某种调查研究目的的方法。它所要解决的是如何在浩如烟海的文献群中选取适用于课题的资料，并对这些4资料做出恰当分析和使用。通过文献研究了解第一性原理，及第一性原理的计算方法及过程。关注国内外对 ZnO 类薄膜的相关研究动态，收集和积累相关资料，具体包括经典著作、相关的课题研究资料和期刊资料。6.2 计算方法与软件所有的计算工作都是由 Materials studio 软件中的 CASTEP 软件包完成的。CASTEP 软件是一个基于密度泛函方法的从头算量子力学程序：用总能量平面波膺势方法，将离子势用膺势替代，电子波函数通过平面波基组展
12、开，电子-电子相互作用的交换和相关势由局域密度近似(LDA)或广义梯度近似(GGA)进行校正，它是目前较为准确的电子结构计算的理论方法。其基本功能可归纳为:(1)有内、外限制或无内、外限制的几何驰豫(离子自由度与晶胞参数)(2)关键参数(基组、FFT mesh、k 点及收敛标准等)的自动化与智能化选择(3)能带结构及局域和部分态密度的显示(4)总能量、力及应力的计算(5)周期表中所有原子的 Ultrasoft 与 norm-conserving 鹰势(6)近似交换与相关效应的局域与非局域泛函的选择(7)频率依赖的介电函数与光学性质的计算(8)使用 NVE，NVT 系统的分子动力学计算及 Lan
13、gevin 动力学6.5 数据分析法通过一系列的试验数据来说明ZnO薄膜的光电性能、电子结构等性质。7.论文研究的主要步骤7.1 研究手段本次论文采用了文献法和计算法，对比法（把计算结果和实验数据做对比，看计算是否正确）相结合的手段，不仅提高了论文的可行性，同时加大了论文的可信度，也为本次论文的写作者提供了多方面的建议与指导。7.2 实验方案先利用文献法了解 ZnO 的结构以及基本性质，第一性原理的计算过程以及计算所用软件系统的操作过程和方法，了解 ZnO 类薄膜的应用与发展以及其制备方法。通过 CASTEP 软件得出数据，分析 ZnO 薄膜的光学性质，完善 ZnO 薄膜的应用。8.论文研究的
14、成果形式及计划8.1 论文工作量文献资料的检索、收集、鉴别和运用到论文中理论部分的完成时间大约需要 10 个月的时间，修改定稿到完成论文大约需要 8 个月的时间，参考文献不低于 40 篇，论文字数不低于 4 万字。本论文工作量较大，要团队密切合作，更需要导师的指导帮助。8.2 年度研究计划阶段 各阶段内容 起止时间选题 课题选择调研 课题背景的熟悉，相关理论的了解、学习开题 提交开题报告5撰写 完成论文初稿修改审阅 完成论文修改，最后定稿；完成答辩 PPT 制作答辩 完成论文答辩8.3 论文拟定框架目录第一章 引言1.1 ZnO 的研究现状1.2 ZnO 的晶体结构1.3 ZnO 的光电性能
15、1.3.1ZnO 的光学性能 1.3.2 ZnO 的电学性能1.4 ZnO 的应用第二章 第一性原理计算方法以及 CASTEP 软件包介绍 2.1 第一性原理2.2 密度泛函数2.3 绝热近似和 Hartree-Fock 近似2.3.1 绝热近似 2.3.2 Hartree-Fock 近似2.4 CASTEP 软件包介绍第三章 ZnO 薄膜的第一性原理计算3.1 理论模型3.1.1 ZnO 的固体物理学原胞3.1.2 ZnO 的简约布里渊区3.2 参数测试 173.2.1 ecut(截断能)的收敛性测试3.2.2 ngkPt(k 点取样)的收敛性测试3.3 能带及态密度计算3.4 能带及态密度
16、计算结果分析3.5 光学性质计算第四章结论参考文献致谢9. 论文主要参考资料【1】武鹤楠.氧化锌光学性质及第一性原理计算研究.沈阳工业大学硕士学位论文.2008年11月28日.【2】温静.ZnO类薄膜结构性能的第一性原理研究.燕山大学工业硕士学位论文.2011年12月.【3】李河.ZnO电子结构与基本属性的第一性原理研究.武汉理工大学博士学位论文.2010年5月.【4】程晓丽.无机化学纳米薄膜功能材料.黑龙江大学理学硕士学位论文.2004年6月3日.【5】张富春.ZnO电子结构与属性的第一性原理研究.西北大学硕士学位论文.2006年6月.【6】赵印中、李林等.ZnO薄膜的结构与性能及应用J.兰州物理研究所.2009年3月.【7】吴兴东、吴兆丰.ZnO 基透明导电薄膜的研究应用进展J.期科技视界.2012年01月第03期. 6【8】王光伟、张建民等.ZnO 薄膜的制备方法、性质和应用J.真空.2008年9月第45 卷第5期.
