压电与声光2024,Vol.46Issue(2) :197-201.DOI:10.11977/j.issn.1004-2474.2024.02.011

Mg掺杂ZnO电子结构与压电性能的第一性原理研究

First Principles Study on Electronic Structure and Piezoelectricity of Mg-Doped ZnO

张涛 刘仡锟 顾马龙 杨龙海 席悦
压电与声光2024,Vol.46Issue(2) :197-201.DOI:10.11977/j.issn.1004-2474.2024.02.011

Mg掺杂ZnO电子结构与压电性能的第一性原理研究

First Principles Study on Electronic Structure and Piezoelectricity of Mg-Doped ZnO

张涛 1刘仡锟 2顾马龙 2杨龙海 3席悦2
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作者信息

  • 1. 西安科技大学 材料科学与工程学院,陕西 西安 710054;西安科技大学 理学院,陕西 西安 710054
  • 2. 西安科技大学 理学院,陕西 西安 710054
  • 3. 西安科技大学 电气与控制工程学院,陕西 西安 710054
  • 折叠

摘要

采用第一性原理计算方法研究了掺杂不同 Mg(r(Mg),摩尔比)的 ZnO 材料的电子结构与压电性能.研究发现,随着r(Mg)的增加,ZnO 晶格常数c 与a 的比值(c/a)减小,材料禁带宽度增大.当r(Mg)=0.3 时,其带隙达到最大值(为 1.493 eV).态密度与差分电荷密度计算结果表明,其带隙增大的原因是导带中 Zn-3 d态向高能端移动.Mg的引入有助于提升ZnO 材料的压电性能,其压电系数从本征的 1.302 72 C/m2 提升至 1.355 88 C/m2,压电系数的提高可能来源于四方因子c/a 数值减小引起的结构畸变.

Abstract

The electronic structure and piezoelectric properties of ZnO materials with different Mg doping con-tents were studied by first principles method.It is found that with the increase of Mg incorporation ratio,the ratio of ZnO lattice constant c to lattice constant a(c/a)decreases,and the band gap width increases.When the mole ra-tio of Mg doping is 0.3,the band gap reaches the maximum value of 1.493 eV.The calculation results of state den-sity and differential charge density show that the reason for the increase of band gap is that the Zn-3d state in the conduction band moves towards the high-energy end.The introduction of Mg helps to improve the piezoelectric properties of ZnO materials,with the piezoelectric coefficient increasing from intrinsic 1.302 72 C/m2 to 1.355 88 C/m2.The increase of piezoelectric coefficient may be attributed to the structural distortion caused by the decrease in the value of the tetragonal factor c/a.

关键词

第一性原理/Mg掺杂ZnO/压电系数/电子结构/晶格常数

Key words

first principles/Mg doped ZnO/piezoelectric coefficient/electronic structure/lattice constant

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基金项目

国家自然科学基金(52174151)

国家自然科学基金(11974275)

国家自然科学基金(61834005)

陕西省联合基金重点项目(2021JML-05)

陕西省重点技创新团队基金(2019TD-026)

陕西省科技统筹创新工程项目(2012KTCL01-12)

陕西省榆林市科技局项目(2019-138)

出版年

2024
压电与声光
四川压电与声光技术研究所

压电与声光

CSTPCD北大核心
影响因子:0.357
ISSN:1004-2474
参考文献量14
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