论文部分内容阅读
硫族半导体材料作为一类重要的半导体材料，具有良好的光电特性，被广泛地应用于显示和照明等领域。本文主要研究了ZnS和PbS两种典型的硫族半导体材料。首先采用第一性原理模拟计算方法，对闪锌矿结构的ZnS、ZnS：Er以及面心结构的PbS进行了计算，分析了材料的电子结构、光学性质以及它们之间的联系，尤其是分析了掺杂前后ZnS电子结构和光学性质的变化，为实验数据的分析提供了理论依据。接着，将制备的ZnS：Er和PbS量子点用于发光层材料，将PVK和MEH-PPV有机物作为功能层制备了量子点电致发光器件，对器件的电致发光光谱进行了分析，探讨了有机功能层对量子点发光器件性能的改善。1）采用第一性原理的超软赝势和广义梯度近似（GGA-PBE），对2×2×1超晶胞结构的ZnS及其替代式掺杂Er3+离子后的超晶胞（Er3+离子浓度分别为6.25%和12.5%）进行了模拟计算，计算中Monkhorst-Pack网格点选为2×2×4，平面波截断能选为360eV。计算结果表明，纯ZnS为直接带隙半导体，Er3+离子掺杂之后的体系能带变窄，导致吸收光谱红移。分析掺杂Er3+离子之后的电子结构，发现Er3+离子的4f态形成了一个新的独立能带，使得掺杂之后体系的吸收效率有所提高；2）对面心结构的PbS先计算进行了不同截止能下体系总能量的收敛性测试，选取了450eV作为最优截止能进行计算。计算得出导带的最低点与价带的最高点位于同一个对称点L处，带隙值约为0.54eV，说明面心结构的PbS为直接带隙半导体材料。在在光学性质分析中，计算出体系的吸收谱，反射谱以及损耗函数谱。3）制备了单层和双层ZnS：Er器件以及PVK/ZnS:Er复合薄膜发光器件。分析器件电致发光谱发现在电压较低时，电子先注入到能态较低的ZnS缺陷能级，而Er3+离子俘获电子的概率较低，因此只获得ZnS基质的光。随着电压值的升高，注入的电子逐渐向ZnS高能态的缺陷能级注入，使得发射出的光发生蓝移现象。当电压继续增加高于一定电压后，电子被Er3+离子俘获的几率增大，被俘获的电子由4F9/2跃迁到基态，发射出650nm的光。与ZnS：Er电致发光器件相比，PVK/ZnS：Er复合薄膜发光器件的光谱发生宽化，通过拟合光谱，初步认为是因为PVK、ZnS基质以及Er3+离子共同被激发发光的原因导致；4）制备了单层MEH-PPV、单层PbS量子点以及MEH-PPV/PbS复合薄膜电致发光器件，对比三者的电致发光谱发现，在MEH-PPV/PbS复合薄膜器件中，加入的MEH-PPV薄膜降低了电流焦耳热对光谱红移造成的影响，同时MEH-PPV作为空穴传输材料，使得空穴与电子的复合区域移动到PbS量子点层，并提高了器件的发光效率。