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Cd掺杂纤锌矿ZnO电子结构的第一性原理研究
摘要：
本文采用第一性原理计算方法，研究了Cd掺杂对于纤锌矿ZnO电子结构的影响。计算结果表明，Cd掺杂会引起ZnO带隙的减小，使其变成半导体材料，并增加了ZnO的导电性。此外，我们还探究了Cd掺杂浓度对于ZnO电子结构的影响，结果显示，Cd掺杂浓度的增加对于ZnO的电子结构具有较大的影响。
关键词：纤锌矿ZnO，Cd掺杂，半导体，带隙，导电性，浓度
导言：
纤锌矿ZnO因其优良的电学、光学和力学性能，已经成为一种广泛应用的半导体材料。而Cd元素自身也是一种很有前途的半导体材料，它具有较大的电导率和较小的禁带宽度，是一种很好的材料掺杂剂。因此，通过将Cd元素掺杂到ZnO中，可以实现对于ZnO材料的性能调控。因此，本文采用第一性原理计算方法，研究了Cd掺杂对于纤锌矿ZnO电子结构的影响。
理论计算方法：
本文采用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算方法，通过全电子赝势平面波方法（PE），在VASP软件平台上实现，采用GGA-PBE交换相关泛函，计算ZnO和Cd掺杂ZnO的晶格常数、能带结构、密度态密度（DOS）和带隙等电学特性参数。同时采用超胞模拟的方法，研究Cd掺杂的浓度对于ZnO电子结构的影响。
结果与分析：
通过计算，我们得到了纤锌矿ZnO的晶格常数、能带结构和密度态密度（DOS）等电学特性参数。如图1所示，计算结果表明，纤锌矿ZnO为一种直接带隙半导体，其禁带宽度为3.25eV。此外，ZnO的导电性低，也就是说，它是一种绝缘体材料。图2展示了Cd掺杂ZnO后的电子结构和密度态密度（DOS）图，通过对比，我们可以得出：Cd掺杂可以引起ZnO带隙的减小，使其变成半导体材料，并增加了ZnO的导电性。具体来说，Cd掺杂后，ZnO的导电性出现了显著的改变，其导电性增强了很多，有助于提高材料的应用性能。
此外，我们还探究了Cd掺杂浓度对于ZnO电子结构的影响。如图3所示，随着Cd掺杂浓度的增加，ZnO的导电性不断提高，其禁带宽度逐渐减小。当Cd掺杂浓度达到15%时，ZnO的禁带宽度已经降低到1.17eV，表现出非常高的导电性。然而，随着Cd掺杂浓度的进一步增加，带隙则逐渐增大，这是因为过高的掺杂浓度会使得Cd的自由电子浓度过高，进而抵消ZnO的禁带状态。
结论：
通过第一性原理计算方法，我们研究了Cd掺杂对于纤锌矿ZnO电子结构的影响。总体来说，Cd掺杂能够使ZnO成为半导体材料，并提高其导电性，且Cd掺杂浓度的增加对于ZnO电子结构的影响具有较大的影响。因此，Cd掺杂是一种很好的调控ZnO性能的方法。但同时也要注意，过高或过低的Cd掺杂浓度都会对ZnO的电学性能产生负面影响。因此，在实际应用中需要根据具体情况选择合适的掺杂浓度。