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Zn O因其无毒、廉价、稳定性好等特点,在工业上得到广泛应用。氧化锌(Zn O)作为直接禁带半导体材料,室温下禁带宽度为3.37e V,激子束缚能为60me V,具有很好的化学稳定性,在光电材料方面一直受到国内外学术界的广泛关注。稀土元素具有丰富的电子组态,近年来其在半导体材料改性的研究中越来越受到关注。稀土元素单掺杂或与非金属共掺杂Zn O将会显著改变Zn O的电子结构和光学性质,从而影响其光催化性能。本文基于第一性原理,应用CASTEP(MS6.0)软件包中的密度泛函理论(DFT),广义梯度近似(GGA)下的平面波超软赝势方法(USP),建立了N/La分别单掺杂以及La-N、Gd-N共掺杂Zn O的模型,对各个模型进行几何优化后计算了每个模型的形成能,能带分布,总态密度,分态密度,电子密度与吸收光谱。计算结果发现,La、Gd、N分别单掺杂Zn O都在Zn O的禁带区域产生杂质能级,La、Gd掺杂产生的杂质能级位于禁带中间区域,N掺杂产生的杂质能级位于价带顶且与价带发生简并。态密度分析表明:施主与受主能级分别由La、Gd的4f态和N的2p态贡献。随La、Gd掺杂浓度的提高,施主能级向深能级方向移动,同时Zn O禁带宽度略微变窄。随N掺杂浓度的提高,受主能级变化不明显,但禁带宽度变窄。La-N、Gd-N共掺杂时,产生两部分杂质能级,分别由La、Gd的4f态和N的2p态贡献。与单掺杂情况比较,受主能级与价带简并化更明显,施主能级略微向浅能级移动,但仍处于禁带中间区域,浅移化趋势不明显。共掺杂浓度的提高使得施主能级向深能级移动,禁带宽度进一步变窄。结果表明:La、Gd、N分别单掺杂以及La-N、Gd-N共掺杂Zn O都使得吸收光谱发生红移,其中共掺杂的红移效果最好。通过形成能计算发现,共掺杂需要更多的能量,但掺杂体系形成后总能量低于单掺杂体系总能量,即结构相对稳定。对电子结构的分析发现共掺杂时,La-N、Gd-N间的吸引力使得La–Zn、Gd-Zn与N-O间的排斥力都减小,从而两部分杂质能级相对于单掺杂的情况都向浅能级转化,亦即载流子寿命提高。另一方面施主与受主能级分别成为电子和空穴的捕获阱,使得电子空穴更不易复合而进一步提高了载流子寿命。这种La-N、Gd-N共掺杂的协同效应使得Zn O的光催化性能增强。然而掺杂浓度的提高,虽然能使吸收光谱红移更强,却使得杂质能级向深能级方向移动,根据半导体理论,深能级是有效的复合中心,这不利于载流子向表面的传递,降低了载流子寿命。综上所述,La-N、Gd-N共掺杂制备的Zn O光催化剂优于La、Gd、N单掺杂制备的Zn O光催化剂。然而,用La-N、Gd-N共掺杂Zn O制备光催化材料时,还需掺杂适量的浓度,做到电子寿命与红移效应二者兼顾。由于稀土La、Gd特殊的电子结构,使得其4f态电子受到外层电子的屏蔽作用,减弱了4f态电子与其它态电子的交互杂化作用,因此La-N、Gd-N共掺杂时施主能级因协同效应产生的浅移化趋势不明显。