ZnO/GaN合金納米線結構穩定性和電子性質的第一性原理研究

《ZnO/GaN合金納米線結構穩定性和電子性質的第一性原理研究》是依託西安交通大學,由張楊擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

  • 中文名:ZnO/GaN合金納米線結構穩定性和電子性質的第一性原理研究
  • 項目類別:青年科學基金項目
  • 項目負責人:張楊
  • 依託單位:西安交通大學
中文摘要,結題摘要,

中文摘要

一維ZnO/GaN合金納米線作為新型的光催化劑,在可見光段光解水制氫的領域具有潛在的套用價值。本項目擬採用基於密度泛函理論(DFT)的第一性原理計算方法,研究一維ZnO/GaN合金納米線可能形成的不同構型,探討不同的構成組分比(納米線中ZnO與GaN成分之比)對合金納米線結構穩定性的影響。同時,研究構成組分比對一維ZnO/GaN合金納米線電子性質的調控關係及其作用機制,探討量子受限效應和尺寸效應對合金納米線電子性質的影響規律。在此基礎上,研究應變引起一維ZnO/GaN合金納米線的結構轉變及對電子結構和能帶結構的調控,從原子和電子層次上揭示微觀結構與巨觀物性之間的關在線上制,為一維ZnO/GaN合金納米線的製備、合成,以及在光催化劑領域的套用與發展提供理論基礎。

結題摘要

能源危機和環境污染是當今人類社會所面臨的倆大難題;為了解決這些問題,利用廉價的太陽能來產生清潔無污染的氫氣能源是最有效的辦法之一。自從實驗上首次發現TiO2電極在紫外光的作用下可以成功地把水分解為氫氣和氧氣之後,利用紫外光催化分解水制氫就引起了人們廣泛的關注。然而,由於紫外光在太陽能光譜中僅占約5 %,可見光占近50%。因此,為了更高效地利用太陽能,設計優越的可見光催化劑就顯得尤為迫切和重要。由於ZnO/GaN 合金塊材具有回響可見光譜的帶隙,可用來做光催化劑,在可見光段分解水制氫的領域具有潛在的套用價值。由於大的表面體積比和低維的物理特徵,一維ZnO/GaN合金納米線可能比其塊體具備更好的催化性能。 本項目採用基於密度泛函理論(DFT)的第一性原理計算方法,研究了一維ZnO/GaN 合金納米線,包括核/殼型(ZnO/GaN核/殼和GaN/ZnO核/殼)、並軸型和超晶格型的異質結構型,探討了GaN組份、尺寸和單軸應變對合金納米線結構穩定性和電子性質的影響。研究發現:所有異質結構型納米線的結構穩定性都沒有單純的ZnO納米線的好,表現出較大尺寸的納米線具有較好的穩定性以及穩定性和GaN組份之間的反比例關係。電子能帶結構表明異質結構型的納米線均為半導體,且帶隙大小嚴重受控於GaN組份和單軸應變。特別是並軸型和超晶格型納米線,它們的帶隙隨著GaN組份的增加而先減小後增加,表現出良好的帶隙可調控性。我們採用新的雜化泛函HSE06方法對直徑為1.65 nm的並軸型和超晶格型納米線的電子帶隙受GaN組份的調控研究,發現:當GaN組份為0.30時,並軸型納米線的帶隙達到最小值2.767 eV;當GaN組份為0.50時,超晶格納米線的帶隙達到最小值1.646 eV。這些帶隙值分別對應於可見光中波長為460和750 nm左右的光譜線,表明並軸型和超晶格型納米線可以吸收可見光。從價帶頂和導帶底的電子軌道貢獻的角度,我們對它們潛在的光催化性能進行了分析討論。研究表明並軸型和超晶格型納米線具有有效的電子-空穴隊的空間分離,在可見光催化領域具有很大的套用價值。此外,我們還對二維ZnO/GaN異質結構薄膜的結構穩定性和電子型進行了研究,並對其潛在的光催化性能和上述納米線的性能進行了對比研究(這部分內容還處於撰寫論文中)。

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