【摘 要】
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氧化锌(ZnO)作为一种功能器件材料,由于其优异的特性及其在光学、电学、光电、压电、磁性和光催化等领域的重要意义而受到人们的广泛关注。氧化锌是一种II-VI族氧化物半导体,它具有带隙宽、激子结合能大、介电常数低、光电耦合速率大和结构稳定性强的特性。因此,ZnO作为新一代的半导体材料,在众多领域都具有不可或缺的地位。已有研究表明Be O和ZnO具有相同的六边形对称性,因此Be O被认为是实现宽禁带调
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氧化锌(ZnO)作为一种功能器件材料,由于其优异的特性及其在光学、电学、光电、压电、磁性和光催化等领域的重要意义而受到人们的广泛关注。氧化锌是一种II-VI族氧化物半导体,它具有带隙宽、激子结合能大、介电常数低、光电耦合速率大和结构稳定性强的特性。因此,ZnO作为新一代的半导体材料,在众多领域都具有不可或缺的地位。已有研究表明Be O和ZnO具有相同的六边形对称性,因此Be O被认为是实现宽禁带调制的最佳替代材料之一。虽然近年来,已经出现大量对该化合物进行的研究,但缺少对该体系不同配比的高压结构与性质的系统性研究。在本工作中,我们使用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法系统地研究了不同配比的三元合金BexZn1-xO的高压结构与电子性质,目的是为未来的研究提供一个全面的理论基础。在本研究中,我们利用USPEX软件系统探索了三元合金BexZn1-xO在0-60 GPa的压力范围内的晶体结构。随后我们应用第一性原理计算方法研究了这些不同组分的BexZn1-xO结构的稳定性和电子性质。计算结果表明,三元合金BexZn1-xO在0-60 GPa的压力范围内所研究的晶体结构均是亚稳态。这些结构包括BeZn4O5(P21,Pmn21),BeZn3O4(Pmn21-a,Pmn21-b),BeZn2O3(Cmc21,Pmma),BeZnO2(Pna21,Pca21),Be2ZnO3(Cmc21),Be3ZnO4(Pmn21,C2),Be5ZnO6(P31m),Be2Zn3O5(Cmc21)。进一步的研究表明,Be2ZnO3、Be5ZnO6和Be2Zn3O5这三种结构在0-60 GPa的压力范围内分别一直保持Cmc21、P31m和Cmc21结构,没有发生结构相变。而对于BeZn4O5、BeZn3O4、BeZn2O3、BeZnO2和Be3ZnO4这五种不同配比的合金,在所研究的压力范围内,它们都存在两种晶体结构。BeZn4O5在16 GPa从P21相转变为Pmn21相;BeZn3O4合金有两种Pmn21结构(分别为Pmn21-a和Pmn21-b),其中Pmn21-a相在0-26 GPa的压力范围内能稳定存在,Pmn21-b相在26-60GPa的压力范围内能稳定存在;BeZn2O3的晶体结构在34 GPa时由Cmc21相转变为Pmma相;对于BeZnO2晶体结构,Pna21相和Pca21相分别在0-29 GPa和29-60 GPa的压力范围内能稳定存在;Be3ZnO4在常压下是Pmn21结构,当压力升高至46 GPa处时,转变为C2结构。随后我们对这些晶体结构的电子性质进行了研究,结果表明:在相同压力下,BexZn1-xO的带隙随Be含量的增加而增大;对同一配比,随着压力的增加,其带隙也随之增大。
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