二维ZnO电子结构的第一性原理研究

广东理工学院电气工程系 徐殿双

二维ZnO电子结构的第一性原理研究

广东理工学院电气工程系 徐殿双

自石墨烯发现以来，类石墨烯材料的研究一直是人们关注的热点。二维材料具有独特的物理性质，在光电器件，传感等方面有广阔的应用前景。块体ZnO是一种多功能材料，目前已应用到多种器件中，对于二维的ZnO也就引起了人们的重视。本文基于第一性原理计算，采用Materials studio软件对二维ZnO进行理论研究，主要分析二维ZnO的电子结构，及其应用领域的介绍。

二维ZnO；第一性原理；电子结构

0 引言

2004年，英国曼彻斯特大学Andre Geim研究组发现了单层原子厚度的石墨结构，它具有二维的蜂窝状网格晶格，从此二维材料的发现掀起了低维材料的研究热潮[1]。石墨烯拥有与石墨不同的性质：只有一个原子层的厚度，有大的比表面积，非常柔韧，强度高，导电性好，热导率也极高。但是石墨烯也有一大缺点就是本身不具有带隙，使其在器件方面的应用受到一定的限制。ZnO是优良的宽禁带半导体材料，基于石墨烯材料的假想，引起了人们对二维ZnO新思路，并且实验上成功的在Pd表面生长出来[2]。但二维ZnO的理论研究尚不完善。为此我们有必要对二维ZnO研究提供理论基础。

1 计算模型与方法

采用的是3×3×1的超晶胞模型，模型图如图1所示，从图中可以看出，单层ZnO是Zn、O间隔的六元环的结构，与石墨烯的模型相似，但没有优化的ZnO模型是褶皱的。

图1 单层ZnO模型图

计算的过程采用的是Materials studio 8.0软件包中的Castep模块。计算的全程都是采用相同的精度，方法采用的是广义梯度近似方法（GGA），交换相关势能函数使用（Perdew-Burke-Ernzerhof）PBE进行计算。能量的计算选用的是340eV的截断能，K点选择为3×3×1。与块体不同，为了消除层间力，我们加入15Å的真空层。结构的收敛程度需达到以下标准：每个原子的自恰场收敛标准为1×10-5eV，能量变化范围不超过为1×10-5eV。已知在块体ZnO中进行LDA+U的计算，加的U值分别为Zn的3d态是10eV，O的2p态是7eV。

2 计算结果与讨论

通过以上计算，可以看到优化后单层ZnO变为平整的如图2， Zn-O-Zn键角均为120°，Zn-O键长为1.91Å[3]，键长键角如下表1所示，从表中我们很容易看出单层ZnO比块体ZnO的键长要短，块体ZnO的键长在2.01Å。这是由于单层ZnO没有块体的C轴方向的作用力，使得键长变短[4]。

图2 单层ZnO(a)优化前,(b)优化后

计算后得到的能带图如图3，从图中可知，二维ZnO是导带底和价带顶都在布里渊区中心G点处的直接带隙的半导体，带隙宽度高达4.05eV。从图中可以看出，ZnO的3个区域，即0.0eV到-4.0eV为上价带，-4.0eV到-6.0eV的下价带区，以及位于-15eV处宽度为0.5eV的价带。二维ZnO的上价带主要由O的2p态构成，下价带由Zn的3d态组成，O2s态主要贡献在-15eV的位置，与其他两个价带的作用较小，对二维ZnO整体的影响不大。由态密度图4可以看出二维ZnO自旋向上和自旋向下的电子态相同，说明二维ZnO没有磁性。

表1 单层ZnO晶格常数与键长、键角

图3 单层ZnO能带图

图4 单层ZnO态密度图

3 低维ZnO的应用前景

与石墨烯相比较，二维ZnO不仅拥有带隙，而且还是很大的禁带宽度，在光学器件方面有广泛的应用前景。4.05eV的禁带宽度，在场效应管、压电器件、太阳能电池、生物传感器、紫外探测器，以及波长较小的传感器等领域有很大的潜在价值。随着高新技术的发展，各种器件都向着高度集成化发展，尺寸越来越小，二维材料的出现既降低了器件测尺寸，又提高了器件的性能，有利于新器件的研发；尤其是在传感器方面，二维ZnO各方面的优异性能决定其不可或缺的地位。二维ZnO既有石墨烯的大部分优点，还具有块体ZnO半导体材料的优点。对于目前集成度较高的各种器件有很大的潜力，有利于推进现今科学技术的发展。

4 结语

二维ZnO的发现，成功的证明了类石墨烯材料的存在，实现了新材料的研究。二维ZnO的宽带隙弥补了石墨烯的不足，并为类石墨烯材料的研究开启新的篇章。加大材料带隙的方法有很多种，可以实现石墨烯“0”带隙的突破，但是无论什么方法改变的带隙都不如材料本身具有的带隙稳定性好。寻找替代石墨烯材料的研究将会是近些年的主要方向。

[1]Novoselov K S,Geim A K,Morozov S V,et al.Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films[J].Science,2004,306:666-669．

[2]Weirrum G,Barcaro G,Fortunelli F,Weber F,Schennech R,Surnev S,Netzer F.Growth and Surface Structure of Zinc Oxide Layers on a Pd(111)Surface[J].Journal of Physical Chemistry C,2010,114:15432.

[3]Oshikiri M,Aryasetiawan F.Band Gaps and Quasiparticle Energy Calculations on ZnO,ZnS and ZnSe in the Zinc-blende Structure by the GW Approximation.Physical Review B,1999,60:10754.

[4]Butler K T,Walsh A.Ultra-thin Oxide Films for Band Engineering:Design Principles and Numerical Experiments[J].Thin Solid Films,2014,559:64-68.

图3 继电器在机壳上的绝缘安装

3.2 继电器的防静电设计

由于航天环境的特殊性，空间等离子体会在继电器的金属壳体上形成静电。继电器进行绝缘安装后，就无法及时有效的释放在继电器壳体上累积的静电，因此在航天器中使用继电器必须采取措施对继电器壳体表面的静电进行泄放。

在正常设计中常采取在磁保持继电器的壳体上连接一个静电泄放电阻到单机金属壳体的措施，为继电器壳体提供良好的静电放电回路。

4 结语

由于具有待机功耗低、高可靠的特性，磁保持继电器在航天配电系统中得到广泛的应用。本文从继电器的串并联使用、线圈的瞬态抑制、绝缘安装和防静电设计等方面对磁保持继电器在航天特殊环境下的使用进行了阐述。上述的设计方式已广泛应用于航天型号产品供配电系统中，并且在轨工作运行良好。

参考文献

[1]陈伟.星载天线驱动器磁保持继电器触点保护技术[J].可靠性物理与失效分析技术,2016,2(34):26-30.

[2]马世俊.卫星电源技术[M].北京:中国宇航出版社,2001.

[3]王凯,李杏春,王占国.一种磁保持继电器驱动电路的设计[J].仪器仪表用户,15(3):66-67.

[4]钟国芳,陈惠强.磁保持继电器应用中的问题及改进措施[J].华电技术,2009,8(31):45-48.

[5]翁丽靖,朱筱南.磁保持继电器在星载雷达直流配电器中的特殊应用[J].信息化研究,2010,36(12):40-42.

[6]陈丹,王丹,王国军.航天器多继电器线圈并联电路的可靠性研究[J].航天器环境工程,2014,31(3):313-315.

[7]阎健.电磁继电器和固态继电器在回收电路中的应用[J].航天返回与遥感,2002,23(1):1-3.

作者简介：

张国兵（1973—），男，河南洛阳人，硕士，高级工程师，主要从事星载供配电系统研制工作。

任海林（1979—），男，安徽淮北人，学士，高级工程师，主要从事雷达电子设备结构设计制工作。

徐殿双（1987—），男，硕士，助教，研究方向：功能材料。