基于第一性原理剖析ZnxCd1-xO合金與巖鹽結(jié)構(gòu)化合物的電子結(jié)構(gòu)特性一、引言1.1研究背景與意義在材料科學領(lǐng)域，合金與具有特殊晶體結(jié)構(gòu)的化合物一直是研究的重點對象。ZnxCd1-xO合金作為Ⅱ-Ⅵ族半導體合金中的一員，近年來備受關(guān)注。它由ZnO和CdO兩種化合物組成，其中ZnO是一種直接寬帶隙半導體，室溫下禁帶寬度為3.37eV，激子束縛能高達60meV，在光電器件如紫外發(fā)光二極管、激光器等方面具有潛在的應(yīng)用價值。而CdO同樣是直接帶隙半導體，禁帶寬度約為2.3eV。通過調(diào)整ZnxCd1-xO合金中x的含量，即改變Zn和Cd的比例，可以實現(xiàn)對其能帶結(jié)構(gòu)的連續(xù)調(diào)控，進而改變材料的光學、電學等物理性質(zhì)，這為設(shè)計和制備具有特定性能的半導體材料提供了可能。例如，在光電器件應(yīng)用中，精確調(diào)控帶隙能夠?qū)崿F(xiàn)不同波長的發(fā)光，滿足光通信、顯示等領(lǐng)域?qū)μ囟úㄩL光源的需求。在傳感器領(lǐng)域，其對某些氣體的吸附和電學響應(yīng)特性也與能帶結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，通過優(yōu)化能帶結(jié)構(gòu)可提高傳感器的靈敏度和選擇性。巖鹽結(jié)構(gòu)化合物在材料科學中也占據(jù)著重要地位。許多重要的功能材料都具有巖鹽結(jié)構(gòu)，如一些金屬氧化物、鹵化物等。巖鹽結(jié)構(gòu)（也稱為NaCl型結(jié)構(gòu)）具有面心立方的晶格結(jié)構(gòu)，其陽離子和陰離子交替排列，這種結(jié)構(gòu)賦予了化合物一些獨特的物理性質(zhì)。在離子導體材料中，巖鹽結(jié)構(gòu)有利于離子的傳導，使得材料在電池、固體電解質(zhì)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。在鋰離子電池中，一些具有巖鹽結(jié)構(gòu)的正極材料，如LiCoO?等，具有較高的理論比容量和良好的電化學性能，能夠為電池提供穩(wěn)定的能量輸出。在光學材料中，部分巖鹽結(jié)構(gòu)化合物具有特殊的光學性質(zhì)，可用于制備光學窗口、發(fā)光材料等。研究ZnxCd1-xO合金和巖鹽結(jié)構(gòu)化合物的電子結(jié)構(gòu)具有極其關(guān)鍵的意義。從理論角度來看，電子結(jié)構(gòu)是理解材料宏觀物理性質(zhì)的基礎(chǔ)，它決定了材料中電子的分布和運動狀態(tài)，進而影響材料的電學、光學、磁學等性質(zhì)。通過深入研究電子結(jié)構(gòu)，可以揭示材料中電子的躍遷機制、載流子的傳輸特性等微觀過程，為建立更加完善的材料物理理論提供依據(jù)。從應(yīng)用角度出發(fā)，對電子結(jié)構(gòu)的精準掌握有助于實現(xiàn)材料性能的優(yōu)化和新應(yīng)用的開發(fā)。對于ZnxCd1-xO合金，明確其電子結(jié)構(gòu)與帶隙、發(fā)光特性之間的關(guān)系，可以指導我們通過調(diào)整成分和制備工藝來獲得滿足特定光電器件需求的材料，提高器件的性能和效率。在巖鹽結(jié)構(gòu)化合物方面，了解其電子結(jié)構(gòu)與離子導電性、化學穩(wěn)定性等性能的關(guān)聯(lián)，能夠幫助我們開發(fā)出更高效的電池材料、更穩(wěn)定的催化劑載體等，推動能源、化工等領(lǐng)域的技術(shù)進步。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在ZnxCd1-xO合金的研究方面，國內(nèi)外學者已經(jīng)取得了一系列成果。早期的研究主要集中在材料的制備與基本性能表征上。通過多種制備方法，如磁控濺射法、分子束外延法、溶膠-凝膠法等，成功制備出了不同成分的ZnxCd1-xO合金薄膜或晶體。利用磁控濺射法制備ZnxCd1-xO合金薄膜時，研究人員通過精確控制濺射功率、氣體流量等工藝參數(shù)，獲得了高質(zhì)量的薄膜，其表面平整、結(jié)晶性良好。在性能研究上，關(guān)于合金的光學性質(zhì)，尤其是帶隙隨成分x的變化規(guī)律研究較為深入。眾多實驗和理論計算結(jié)果表明，隨著Cd含量x的增加，ZnxCd1-xO合金的帶隙呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。有研究通過光致發(fā)光（PL）光譜測試，詳細分析了不同x值下合金的發(fā)光特性，發(fā)現(xiàn)近帶邊發(fā)射峰隨著x的增大向低能量方向移動，這與帶隙減小的趨勢一致，進一步證實了成分對光學性質(zhì)的顯著影響。在電學性質(zhì)方面，研究發(fā)現(xiàn)合金的載流子濃度、遷移率等參數(shù)與成分和制備工藝密切相關(guān)。通過改變制備工藝條件，如襯底溫度、退火處理等，可以有效地調(diào)控合金的電學性能。較高的襯底溫度有助于提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，減少缺陷，從而提高載流子遷移率。理論計算方面，第一性原理計算在研究ZnxCd1-xO合金電子結(jié)構(gòu)中發(fā)揮了重要作用。通過基于密度泛函理論（DFT）的計算，能夠深入了解合金中原子的電子云分布、能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度等信息。計算結(jié)果揭示了Zn和Cd原子的不同電子軌道在合金電子結(jié)構(gòu)中的貢獻，以及O原子對整體電子結(jié)構(gòu)的影響機制。計算還預測了一些實驗難以直接測量的物理性質(zhì)，為實驗研究提供了理論指導。然而，目前ZnxCd1-xO合金的研究仍存在一些不足。在制備工藝上，雖然多種方法已被用于制備合金，但如何實現(xiàn)高質(zhì)量、大面積、低成本的制備仍然是一個挑戰(zhàn)。在一些制備方法中，難以精確控制合金成分的均勻性，導致材料性能的一致性較差。對于合金在復雜環(huán)境下的長期穩(wěn)定性研究還相對較少，在實際應(yīng)用中，合金可能會受到溫度、濕度、光照等多種因素的影響，其性能的長期穩(wěn)定性對器件的可靠性至關(guān)重要。不同制備方法和工藝參數(shù)對合金微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響機制尚未完全明確，這限制了對材料性能的進一步優(yōu)化。在巖鹽結(jié)構(gòu)化合物的研究中，由于其廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，吸引了眾多學者的關(guān)注。在結(jié)構(gòu)研究方面，通過X射線衍射（XRD）、中子衍射等技術(shù)，對多種巖鹽結(jié)構(gòu)化合物的晶體結(jié)構(gòu)進行了精確測定，這些技術(shù)能夠提供化合物的晶格參數(shù)、原子坐標等詳細信息，為深入理解其結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。利用XRD分析巖鹽結(jié)構(gòu)的金屬氧化物時，可以清晰地確定其晶體結(jié)構(gòu)類型，以及晶格參數(shù)隨溫度、壓力等外界條件的變化規(guī)律。在物理性質(zhì)研究上，針對巖鹽結(jié)構(gòu)化合物的電學、光學、磁學等性質(zhì)開展了大量研究。在電學性質(zhì)方面，對于一些離子導體材料，研究了其離子傳導機制與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系。在鋰離子電池正極材料中，巖鹽結(jié)構(gòu)的LiCoO?的鋰離子擴散路徑與晶體結(jié)構(gòu)中的八面體和四面體空隙密切相關(guān)，通過優(yōu)化晶體結(jié)構(gòu)可以提高鋰離子的擴散速率，從而提升電池的充放電性能。在光學性質(zhì)方面，研究了部分巖鹽結(jié)構(gòu)化合物的光吸收、發(fā)射特性，發(fā)現(xiàn)其光學性質(zhì)與晶體結(jié)構(gòu)中的電子躍遷過程緊密相連。一些巖鹽結(jié)構(gòu)的發(fā)光材料，其發(fā)光效率和顏色可以通過調(diào)整晶體結(jié)構(gòu)中的陽離子種類和價態(tài)來實現(xiàn)調(diào)控。理論計算同樣在巖鹽結(jié)構(gòu)化合物研究中發(fā)揮了重要作用。通過第一性原理計算和分子動力學模擬等方法，深入研究了化合物的電子結(jié)構(gòu)、離子擴散行為、化學反應(yīng)活性等微觀性質(zhì)。計算結(jié)果為解釋實驗現(xiàn)象、預測材料性能提供了有力支持。在研究巖鹽結(jié)構(gòu)的催化劑載體時，通過計算可以預測不同原子在載體表面的吸附能，從而指導選擇合適的活性組分，提高催化劑的性能。不過，巖鹽結(jié)構(gòu)化合物的研究也存在一些待解決問題。對于一些復雜的巖鹽結(jié)構(gòu)化合物，尤其是含有多種元素的體系，其電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的精確描述仍然具有挑戰(zhàn)性。由于多種元素的相互作用，使得理論計算的復雜度大幅增加，計算結(jié)果的準確性有待進一步提高。在實際應(yīng)用中，如何提高巖鹽結(jié)構(gòu)化合物的性能穩(wěn)定性和可靠性也是一個重要問題。在高溫、高壓等極端條件下，化合物的結(jié)構(gòu)和性能可能會發(fā)生變化，如何優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)以適應(yīng)這些極端條件，還需要深入研究。不同類型巖鹽結(jié)構(gòu)化合物之間的性能差異及內(nèi)在機制的研究還不夠系統(tǒng)，這不利于根據(jù)實際需求選擇最合適的材料。1.3研究內(nèi)容與方法本研究聚焦于ZnxCd1-xO合金和巖鹽結(jié)構(gòu)化合物的電子結(jié)構(gòu)，主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：ZnxCd1-xO合金電子結(jié)構(gòu)研究：首先，通過第一性原理計算系統(tǒng)地研究不同成分（即不同x值）下ZnxCd1-xO合金的電子結(jié)構(gòu)，包括能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、電荷密度分布等。深入分析隨著Zn和Cd比例變化，合金中電子的分布和運動狀態(tài)如何改變，以及這些變化對合金物理性質(zhì)的影響機制。研究Zn4s、Cd5s、O2p等原子軌道在合金電子結(jié)構(gòu)中的相互作用和貢獻，明確它們?nèi)绾斡绊懞辖鸬哪軒ЫY(jié)構(gòu)和態(tài)密度分布。通過電荷密度分布分析，了解合金中原子間的化學鍵性質(zhì)和電子云分布特征，揭示ZnxCd1-xO合金中電子的定域和離域情況，以及其與材料光學、電學性能的關(guān)聯(lián)。其次，研究合金的光學性質(zhì)與電子結(jié)構(gòu)的關(guān)系。利用理論計算預測不同成分ZnxCd1-xO合金的光吸收、發(fā)射特性，結(jié)合電子結(jié)構(gòu)分析光躍遷過程，為合金在光電器件中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。在光吸收特性研究中，分析不同能量光子激發(fā)下電子的躍遷路徑，確定吸收峰的位置和強度與電子結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系。巖鹽結(jié)構(gòu)化合物電子結(jié)構(gòu)研究：選取具有代表性的巖鹽結(jié)構(gòu)化合物，如金屬氧化物（如MgO、CaO等）、鹵化物（如NaCl、KCl等）作為研究對象，運用第一性原理計算方法研究其電子結(jié)構(gòu)。分析化合物中陽離子和陰離子的電子云分布、離子鍵的特性，以及這些因素對化合物電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的影響。對于MgO，研究Mg2+和O2-離子的電子云分布如何決定其高硬度和良好的絕緣性能。研究巖鹽結(jié)構(gòu)化合物在外部條件（如壓力、溫度）變化時電子結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。通過理論計算模擬不同壓力和溫度下化合物的晶格結(jié)構(gòu)變化，以及由此引起的電子結(jié)構(gòu)改變，探討外部條件對化合物物理性質(zhì)（如電學、光學、力學性質(zhì)）的調(diào)控機制。在壓力作用下，晶格參數(shù)的改變會影響原子間的距離和電子云的重疊程度，進而改變電子結(jié)構(gòu)和材料的導電性等物理性質(zhì)。在研究方法上，本研究采用基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計算方法。該方法從量子力學的基本原理出發(fā)，在考慮多電子體系的相互作用基礎(chǔ)上，通過求解Kohn-Sham方程來確定體系的電子結(jié)構(gòu)。在計算過程中，使用平面波贗勢方法（PWPM），將電子波函數(shù)用平面波基組展開，用贗勢代替離子實與價電子之間的相互作用，從而有效地降低計算量，提高計算效率。在處理ZnxCd1-xO合金和巖鹽結(jié)構(gòu)化合物的電子結(jié)構(gòu)計算時，這種方法能夠準確地描述原子的電子云分布和相互作用。為實現(xiàn)上述計算，選用VASP（ViennaAb-initioSimulationPackage）軟件包。VASP是一款廣泛應(yīng)用于材料計算領(lǐng)域的軟件，具有計算精度高、計算速度快等優(yōu)點，能夠處理多種晶體結(jié)構(gòu)和材料體系的電子結(jié)構(gòu)計算。在ZnxCd1-xO合金計算中，利用VASP精確計算不同成分合金的電子結(jié)構(gòu)；在巖鹽結(jié)構(gòu)化合物研究中，同樣借助VASP模擬不同化合物在各種條件下的電子結(jié)構(gòu)變化。在模擬巖鹽結(jié)構(gòu)化合物的高溫高壓條件時，VASP可以通過設(shè)置相應(yīng)的計算參數(shù)，準確地模擬晶格結(jié)構(gòu)的變化和電子結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。在計算過程中，合理設(shè)置平面波截斷能、K點網(wǎng)格密度等參數(shù)，以確保計算結(jié)果的準確性和收斂性。通過多次測試不同的參數(shù)組合，選擇使計算結(jié)果穩(wěn)定且收斂的參數(shù)，保證研究結(jié)果的可靠性。二、理論基礎(chǔ)與研究方法2.1第一性原理概述2.1.1基本概念與原理第一性原理，在物理學中又被稱為從頭算，其核心在于從基本的物理學定律出發(fā)，不借助任何假設(shè)與經(jīng)驗擬合參數(shù)，直接對體系進行推導與計算。在材料科學研究中，該原理將材料體系視為由電子和原子核組成的多粒子系統(tǒng)，依據(jù)量子力學的基本原理，通過自洽計算來確定材料的幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)以及熱力學、光學等物理性質(zhì)。其基本思想摒棄了經(jīng)驗性的參數(shù)依賴，僅需使用幾個最基本的物理常量，如電子靜止質(zhì)量m_0、電子電荷e、普朗克常量h、真空中光速c和玻爾茲曼常量k_b，以及元素周期表中各組分元素的電子結(jié)構(gòu)，就能對材料的諸多物理性質(zhì)進行合理預測。在多粒子體系中，原子核與電子之間、電子與電子之間以及原子核與原子核之間均存在相互作用，體系的哈密頓量較為復雜。為簡化計算，第一性原理計算遵循三個基本假設(shè)：其一，利用Born-Oppenheimer絕熱近似，鑒于電子質(zhì)量相較于原子核質(zhì)量小約1000倍，電子運動速度比核快近千倍，當電子高速運動時，原子核僅在平衡位置附近緩慢振動，電子能絕熱于原子核的運動，從而將包含原子核和電子的多粒子問題轉(zhuǎn)化為多電子問題；其二，借助密度泛函理論的單電子近似，把多電子薛定諤方程簡化為相對容易求解的單電子方程；其三，運用自洽迭代法求解單電子方程，以獲得系統(tǒng)基態(tài)和其他性質(zhì)。通過這些假設(shè)和方法，第一性原理能夠從原子層面深入探究材料內(nèi)部電子的分布和運動狀態(tài)，進而揭示材料的宏觀物理性質(zhì)的微觀本質(zhì)。2.1.2常用計算方法與軟件基于第一性原理的計算方法中，密度泛函理論（DFT）應(yīng)用極為廣泛。該理論的核心觀點是體系的基態(tài)能量是電子密度的泛函。在DFT中，通過引入交換關(guān)聯(lián)泛函來描述多電子體系中電子之間的復雜相互作用。常見的交換關(guān)聯(lián)泛函近似形式有局域密度近似（LDA）和廣義梯度近似（GGA）。LDA假設(shè)體系中某點的交換關(guān)聯(lián)能密度僅取決于該點的電子密度，這種近似在處理一些簡單體系時能取得較好的結(jié)果。在金屬體系中，LDA能夠較為準確地描述電子的行為，對金屬的結(jié)構(gòu)和力學性質(zhì)的計算結(jié)果與實驗值吻合度較高。而GGA則進一步考慮了電子密度的梯度變化對交換關(guān)聯(lián)能的影響，在處理一些具有復雜電子結(jié)構(gòu)的體系，如過渡金屬氧化物時，GGA通常能提供更精確的計算結(jié)果。在研究含有過渡金屬離子的巖鹽結(jié)構(gòu)化合物時，GGA能更好地描述過渡金屬離子的d電子與周圍離子的相互作用，從而更準確地預測化合物的電子結(jié)構(gòu)和磁性等性質(zhì)。在本研究中，選用VASP（ViennaAb-initioSimulationPackage）軟件包進行計算。VASP是一款功能強大且應(yīng)用廣泛的材料計算軟件，具有諸多顯著優(yōu)點。在計算精度方面，它能夠精確地求解體系的電子態(tài)和能量。無論是處理原子、分子、團簇，還是納米線（或管）、薄膜、晶體、準晶和無定性材料，以及表面體系和固體等各種材料體系，VASP都能給出可靠的計算結(jié)果。在研究ZnxCd1-xO合金時，VASP可以準確計算不同成分合金的能帶結(jié)構(gòu)，清晰地展現(xiàn)出隨著Zn和Cd比例變化，能帶結(jié)構(gòu)的細微變化，為深入理解合金的電學和光學性質(zhì)提供了精確的數(shù)據(jù)支持。在計算速度上，VASP經(jīng)過優(yōu)化，具備較快的計算速度，這使得在處理大規(guī)模體系和復雜計算任務(wù)時，能夠在相對較短的時間內(nèi)完成計算。在模擬巖鹽結(jié)構(gòu)化合物在高溫高壓條件下的電子結(jié)構(gòu)變化時，盡管計算量巨大，但VASP憑借其高效的算法，能夠快速收斂，給出準確的結(jié)果。VASP通過近似求解Schrodinger方程得到體系的電子態(tài)和能量，既可以在密度泛函理論（DFT）框架內(nèi)求解Kohn-Sham方程，還實現(xiàn)了混合泛函計算，也能夠在Hartree-Fock（HF）的近似下求解Roothaan方程。在計算過程中，VASP采用周期性邊界條件（或超原胞模型），這一處理方式使得它能夠有效地處理具有周期性結(jié)構(gòu)的晶體材料。在研究巖鹽結(jié)構(gòu)化合物時，利用周期性邊界條件可以準確模擬晶體中原子的周期性排列對電子結(jié)構(gòu)的影響，從而獲得與實際晶體材料相符的計算結(jié)果。2.2ZnxCd1-xO合金與巖鹽結(jié)構(gòu)化合物介紹2.2.1ZnxCd1-xO合金的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)ZnxCd1-xO合金屬于Ⅱ-Ⅵ族半導體合金，其晶體結(jié)構(gòu)與ZnO和CdO密切相關(guān)。ZnO和CdO均為六方晶系，其中ZnO具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)，CdO具有立方巖鹽結(jié)構(gòu)。在ZnxCd1-xO合金中，隨著x值的變化，合金的晶體結(jié)構(gòu)在一定程度上會發(fā)生改變。當x較小時，合金結(jié)構(gòu)更傾向于ZnO的纖鋅礦結(jié)構(gòu)，此時Zn原子在晶格中占據(jù)主導地位。由于Zn原子的半徑相對較小，與O原子形成的化學鍵具有較強的方向性和共價性，使得合金在該結(jié)構(gòu)下具有一定的穩(wěn)定性和獨特的物理性質(zhì)。隨著x值逐漸增大，Cd原子的比例增加，由于Cd原子半徑大于Zn原子，其對晶體結(jié)構(gòu)的影響逐漸顯現(xiàn)，合金結(jié)構(gòu)會逐漸向CdO的立方巖鹽結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。在這個轉(zhuǎn)變過程中，合金的晶格參數(shù)會發(fā)生連續(xù)變化。研究表明，隨著Cd含量的增加，合金的晶格常數(shù)a和c均會逐漸增大。這是因為Cd原子半徑較大，在晶體結(jié)構(gòu)中會占據(jù)更大的空間，從而導致晶格膨脹。這種晶格參數(shù)的變化會進一步影響合金的物理性質(zhì)。從物理性質(zhì)方面來看，ZnxCd1-xO合金具有一些獨特的性質(zhì)。在光學性質(zhì)上，合金的禁帶寬度隨x值的變化而改變。由于ZnO的禁帶寬度（室溫下約為3.37eV）大于CdO的禁帶寬度（約為2.3eV），隨著Cd含量x的增加，合金的禁帶寬度逐漸減小。這種帶隙的連續(xù)可調(diào)性使得ZnxCd1-xO合金在光電器件領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在紫外光探測器中，通過調(diào)整x值使合金的帶隙與紫外光的能量相匹配，可以提高探測器對紫外光的響應(yīng)靈敏度。在發(fā)光二極管（LED）應(yīng)用中，利用合金帶隙可調(diào)的特性，可以制備出不同發(fā)光波長的LED，滿足不同的照明和顯示需求。研究還發(fā)現(xiàn)，合金的光吸收系數(shù)也與x值有關(guān)。隨著帶隙的減小，合金對長波長光的吸收能力逐漸增強，這為其在光吸收器件中的應(yīng)用提供了可能。在電學性質(zhì)方面，ZnxCd1-xO合金的載流子濃度和遷移率等參數(shù)會受到成分和制備工藝的影響。在一些研究中，通過改變制備工藝條件，如采用不同的襯底溫度和退火處理，發(fā)現(xiàn)合金的載流子遷移率會發(fā)生明顯變化。較高的襯底溫度有助于提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，減少晶體缺陷，從而提高載流子遷移率。而退火處理可以消除薄膜中的內(nèi)應(yīng)力，改善晶體結(jié)構(gòu)，進一步優(yōu)化電學性能。在一些通過磁控濺射法制備的ZnxCd1-xO合金薄膜中，經(jīng)過合適的退火處理后，載流子遷移率得到了顯著提高，這為其在電子器件中的應(yīng)用提供了更好的電學性能基礎(chǔ)。由于其獨特的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，ZnxCd1-xO合金在光電器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。除了上述提到的紫外光探測器和LED外，它還可用于制備激光二極管。通過精確控制合金的成分和生長工藝，制備出具有特定帶隙和光學性質(zhì)的ZnxCd1-xO合金材料，能夠滿足激光二極管對材料的嚴格要求，實現(xiàn)高效的激光發(fā)射。在傳感器領(lǐng)域，ZnxCd1-xO合金對某些氣體具有特殊的吸附和電學響應(yīng)特性。其對NO?氣體具有較高的靈敏度，當合金表面吸附NO?分子后，會引起材料電學性能的變化，通過檢測這種變化可以實現(xiàn)對NO?氣體的快速、靈敏檢測，為環(huán)境監(jiān)測和氣體傳感提供了新的材料選擇。2.2.2巖鹽結(jié)構(gòu)化合物的結(jié)構(gòu)特征巖鹽結(jié)構(gòu)，又被稱為NaCl型結(jié)構(gòu)，是一種典型的離子晶體結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，陽離子和陰離子交替排列，形成面心立方的晶格結(jié)構(gòu)。以NaCl晶體為例，其晶胞是一個立方體，Na?離子和Cl?離子分別占據(jù)立方體的頂點和面心位置，且每個Na?離子周圍被6個Cl?離子包圍，每個Cl?離子也同樣被6個Na?離子包圍，配位數(shù)均為6。這種離子排列方式使得晶體結(jié)構(gòu)具有較高的對稱性和穩(wěn)定性。從空間結(jié)構(gòu)來看，巖鹽結(jié)構(gòu)具有良好的對稱性，存在旋轉(zhuǎn)對稱軸、對稱面和對稱中心。沿著晶胞的棱邊方向，存在4重旋轉(zhuǎn)對稱軸，繞該軸旋轉(zhuǎn)90度后，晶體結(jié)構(gòu)能夠完全重合。晶體中還存在多個對稱面，這些對稱面將晶體分割成對稱的兩部分。在晶胞的中心位置，存在對稱中心，從晶體中任意一點出發(fā)，通過對稱中心的連線在另一側(cè)等距離處能找到對應(yīng)的點，這體現(xiàn)了晶體結(jié)構(gòu)在空間上的高度對稱性。在巖鹽結(jié)構(gòu)中，離子鍵起著關(guān)鍵作用。陽離子和陰離子之間通過靜電引力相互吸引，形成穩(wěn)定的離子鍵。由于離子鍵的作用，巖鹽結(jié)構(gòu)化合物通常具有較高的熔點和硬度。MgO是一種具有巖鹽結(jié)構(gòu)的化合物，其熔點高達2852℃，硬度也較大，這使得MgO在耐火材料領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。在高溫環(huán)境下，MgO能夠保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和性能，有效地抵抗高溫侵蝕。然而，離子鍵的方向性不明顯，使得晶體在受到外力作用時，離子容易發(fā)生錯位，導致晶體的脆性較大。當對巖鹽結(jié)構(gòu)的晶體施加外力時，一旦離子發(fā)生相對位移，原本的離子鍵平衡被打破，離子間的排斥力迅速增大，從而使晶體發(fā)生破裂，這也是巖鹽結(jié)構(gòu)化合物普遍存在脆性的原因。許多重要的化合物都具有巖鹽結(jié)構(gòu)。在金屬氧化物中，除了MgO外，CaO、SrO、BaO等也都具有巖鹽結(jié)構(gòu)。這些金屬氧化物由于其特殊的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，在不同領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。CaO在冶金工業(yè)中常用于脫硫、脫磷等過程，利用其與硫、磷等雜質(zhì)反應(yīng)生成爐渣的特性，有效提高金屬的純度。在鹵化物中，NaCl、KCl、LiF等都具有巖鹽結(jié)構(gòu)。NaCl是日常生活中常見的食鹽，其廣泛應(yīng)用于食品調(diào)味和化工生產(chǎn)等領(lǐng)域。在化工生產(chǎn)中，NaCl是制備氯氣、燒堿等化學品的重要原料。KCl在農(nóng)業(yè)上常用作鉀肥，為植物提供鉀元素，促進植物的生長和發(fā)育。這些具有巖鹽結(jié)構(gòu)的化合物，盡管它們的化學成分不同，但由于具有相同的晶體結(jié)構(gòu)，在一些物理性質(zhì)上表現(xiàn)出一定的相似性，如較高的熔點、離子導電性等，同時也因為陽離子和陰離子的不同而具有各自獨特的性質(zhì)。2.3研究模型與參數(shù)設(shè)置2.3.1構(gòu)建計算模型在研究ZnxCd1-xO合金的電子結(jié)構(gòu)時，構(gòu)建合理的計算模型是準確獲得其電子結(jié)構(gòu)信息的基礎(chǔ)。本研究采用超原胞模型來模擬ZnxCd1-xO合金。首先，對于純ZnO和CdO晶體，其結(jié)構(gòu)分別為纖鋅礦結(jié)構(gòu)和立方巖鹽結(jié)構(gòu)。以纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO為例，其晶胞參數(shù)a=0.3249nm，c=0.5206nm，在構(gòu)建超原胞時，基于這些晶胞參數(shù)進行拓展。對于立方巖鹽結(jié)構(gòu)的CdO，晶胞參數(shù)a=0.4695nm。為了研究不同成分的ZnxCd1-xO合金，通過在超原胞中按比例替換Zn和Cd原子來實現(xiàn)。在一個2×2×2的超原胞中，總原子數(shù)為32個，當x=0.25時，設(shè)定超原胞中有8個Cd原子和24個Zn原子，剩余的原子為O原子，以此來準確模擬該成分下的合金結(jié)構(gòu)。在確定原子坐標時，依據(jù)晶體結(jié)構(gòu)的對稱性和原子間的相對位置關(guān)系進行設(shè)定。對于纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO部分，Zn原子位于特定的晶格位置，O原子與Zn原子通過共價鍵相連，在超原胞中按照相應(yīng)的晶格位置排列。對于立方巖鹽結(jié)構(gòu)的CdO部分，Cd原子和O原子交替排列，在超原胞中保持這種排列方式。通過這樣的方式，確保了超原胞模型中原子坐標的準確性，為后續(xù)的計算提供了可靠的基礎(chǔ)。在研究巖鹽結(jié)構(gòu)化合物時，同樣構(gòu)建超原胞模型。以典型的巖鹽結(jié)構(gòu)化合物NaCl為例，其晶胞為面心立方結(jié)構(gòu)，晶胞參數(shù)a=0.5640nm。在構(gòu)建超原胞時，考慮到計算的精度和效率，選擇合適的超原胞大小，如2×2×2的超原胞。在該超原胞中，Na原子和Cl原子的總數(shù)為64個，按照巖鹽結(jié)構(gòu)的排列方式進行放置。Na原子占據(jù)面心立方晶格的頂點和面心位置，Cl原子則占據(jù)八面體空隙位置。對于其他具有巖鹽結(jié)構(gòu)的化合物，如MgO、CaO等，根據(jù)它們各自的晶胞參數(shù)（MgO的晶胞參數(shù)a=0.4212nm，CaO的晶胞參數(shù)a=0.4810nm），在超原胞中按照巖鹽結(jié)構(gòu)的特征進行原子坐標的設(shè)定。Mg原子和O原子、Ca原子和O原子分別在超原胞中按照面心立方晶格和八面體空隙的位置關(guān)系進行排列，保證模型能夠準確反映化合物的晶體結(jié)構(gòu)特征。2.3.2參數(shù)選擇與優(yōu)化在基于第一性原理的計算過程中，參數(shù)的選擇對計算結(jié)果的準確性和可靠性起著關(guān)鍵作用。在交換關(guān)聯(lián)泛函的選擇上，本研究采用廣義梯度近似（GGA）中的PBE（Perdew-Burke-Ernzerhof）泛函。GGA相較于局域密度近似（LDA），考慮了電子密度的梯度變化對交換關(guān)聯(lián)能的影響，能夠更準確地描述電子之間的相互作用。在研究具有復雜電子結(jié)構(gòu)的ZnxCd1-xO合金和巖鹽結(jié)構(gòu)化合物時，PBE泛函能夠提供更接近實驗值的計算結(jié)果。在計算ZnxCd1-xO合金的能帶結(jié)構(gòu)時，使用PBE泛函計算得到的帶隙值與實驗測量值更為接近，能夠更準確地反映合金的電學性質(zhì)。在計算巖鹽結(jié)構(gòu)化合物的離子鍵特性時，PBE泛函能夠較好地描述陽離子和陰離子之間的電荷分布和相互作用，從而更準確地預測化合物的物理性質(zhì)。平面波截斷能也是一個重要參數(shù)。平面波截斷能決定了平面波基組的大小，截斷能越高，平面波基組越完備，計算結(jié)果越精確，但同時計算量也會大幅增加。為了確定合適的平面波截斷能，本研究進行了一系列的測試計算。對于ZnxCd1-xO合金，從較低的截斷能開始，如300eV，逐漸增加截斷能，觀察體系總能量、電子結(jié)構(gòu)等計算結(jié)果的變化。當截斷能增加到400eV時，發(fā)現(xiàn)體系總能量的變化小于0.01eV，電子結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果也趨于穩(wěn)定。因此，在后續(xù)的ZnxCd1-xO合金計算中，選擇400eV作為平面波截斷能。對于巖鹽結(jié)構(gòu)化合物，同樣通過測試計算，確定合適的截斷能。以NaCl為例，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，當截斷能為450eV時，計算結(jié)果達到收斂，能夠滿足計算精度要求。K點網(wǎng)格密度的選擇也至關(guān)重要。K點網(wǎng)格用于對倒易空間進行采樣，網(wǎng)格越密，采樣越精確，但計算量也越大。在計算ZnxCd1-xO合金時，采用Monkhorst-Pack方法生成K點網(wǎng)格。通過對不同K點網(wǎng)格密度的測試，發(fā)現(xiàn)對于2×2×2的超原胞，當K點網(wǎng)格設(shè)置為4×4×4時，計算結(jié)果的精度和計算效率達到較好的平衡。在該K點網(wǎng)格密度下，計算得到的合金能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度等信息與更高密度K點網(wǎng)格計算結(jié)果相比，差異在可接受范圍內(nèi)，同時計算時間大幅縮短。對于巖鹽結(jié)構(gòu)化合物，根據(jù)不同的超原胞大小和晶體結(jié)構(gòu)特點，選擇合適的K點網(wǎng)格密度。對于2×2×2的NaCl超原胞，5×5×5的K點網(wǎng)格能夠滿足計算精度要求，確保計算結(jié)果準確可靠。通過對這些參數(shù)的合理選擇和優(yōu)化，保證了在第一性原理計算中能夠準確、高效地獲得ZnxCd1-xO合金和巖鹽結(jié)構(gòu)化合物的電子結(jié)構(gòu)信息。三、ZnxCd1-xO合金電子結(jié)構(gòu)的第一性原理研究3.1ZnxCd1-xO合金電子結(jié)構(gòu)計算結(jié)果3.1.1能帶結(jié)構(gòu)分析通過基于密度泛函理論的第一性原理計算，得到了不同成分ZnxCd1-xO合金的能帶結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在圖中，橫坐標表示的是第一布里淵區(qū)內(nèi)的高對稱點，縱坐標為能量，費米能級設(shè)置為0eV。對于x=0（即純ZnO），其能帶結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出典型的寬帶隙半導體特征。價帶頂主要由O原子的2p軌道電子構(gòu)成，導帶底則主要來源于Zn原子的4s軌道電子。這種電子軌道的分布決定了ZnO的能帶特征，其禁帶寬度計算值約為3.2eV，與實驗值3.37eV較為接近，這驗證了本研究計算方法和參數(shù)設(shè)置的合理性。在價帶頂，O原子2p軌道電子的能量分布較為集中，形成了較為平坦的價帶頂區(qū)域，這表明O原子2p電子在價帶中的定域性較強。而導帶底的Zn原子4s軌道電子能量分布相對較寬，體現(xiàn)出一定的離域性，這使得電子在導帶中的移動相對較為容易。當x=0.5時，合金的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化。隨著Cd原子的引入，Cd原子的5s軌道電子參與到合金的電子結(jié)構(gòu)中，對導帶底產(chǎn)生了影響。導帶底的能量位置發(fā)生了變化，相較于純ZnO，導帶底能量有所降低。這是因為Cd原子的5s軌道電子能量低于Zn原子的4s軌道電子，當Cd原子進入合金結(jié)構(gòu)后，拉低了導帶底的能量。同時，價帶頂?shù)哪芰恳舶l(fā)生了一定的改變，雖然仍然主要由O原子2p軌道電子構(gòu)成，但由于Cd原子的影響，價帶頂?shù)哪芰柯杂猩摺＿@種導帶底降低和價帶頂升高的變化，導致合金的禁帶寬度減小，計算得到x=0.5時合金的禁帶寬度約為2.8eV。在這個成分下，由于Zn和Cd原子的共同作用，使得合金的能帶結(jié)構(gòu)變得更為復雜。在導帶底，Zn原子4s軌道電子和Cd原子5s軌道電子的波函數(shù)發(fā)生了一定程度的重疊，形成了新的電子態(tài)分布，這也影響了電子在導帶中的傳輸特性。對于x=1（即純CdO），能帶結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出與ZnO和ZnxCd1-xO合金不同的特征。導帶底主要由Cd原子的5s軌道電子構(gòu)成，價帶頂依然由O原子的2p軌道電子主導。其禁帶寬度計算值約為2.2eV，比ZnO的禁帶寬度明顯減小，這與CdO本身的半導體特性相符。在純CdO的能帶結(jié)構(gòu)中，由于Cd原子半徑較大，其5s軌道電子的空間分布更為彌散，使得導帶底的電子態(tài)密度相對較低。而價帶頂?shù)腛原子2p軌道電子受Cd原子的影響，電子云分布也發(fā)生了變化，導致價帶頂?shù)哪芰亢蛻B(tài)密度分布與ZnO有所不同。隨著ZnxCd1-xO合金中Cd含量x的增加，合金的禁帶寬度呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。這一變化規(guī)律與實驗研究結(jié)果一致，表明通過第一性原理計算能夠準確地預測合金成分對能帶結(jié)構(gòu)和禁帶寬度的影響。這種禁帶寬度的連續(xù)可調(diào)性為ZnxCd1-xO合金在光電器件中的應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)。在設(shè)計紫外探測器時，可以根據(jù)所需探測的紫外光波長，通過調(diào)整合金中Cd的含量來精確調(diào)控禁帶寬度，使合金對特定波長的紫外光具有最佳的吸收和響應(yīng)性能。3.1.2態(tài)密度分析進一步對ZnxCd1-xO合金進行態(tài)密度分析，圖2展示了不同成分合金的總態(tài)密度（TDOS）和分波態(tài)密度（PDOS）。從圖中可以清晰地看到，在x=0（純ZnO）時，價帶主要分布在-10eV到0eV之間，其中在-7eV到-3eV范圍內(nèi)，O原子2p軌道對態(tài)密度的貢獻占主導地位。在這個能量區(qū)間內(nèi)，O原子2p軌道電子形成了較為尖銳的峰，表明這些電子具有較強的定域性，主要圍繞O原子周圍運動。在-10eV到-7eV之間，Zn原子的3d軌道也有一定的貢獻，雖然其態(tài)密度相對較低，但對整個價帶的電子結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生了一定的影響。導帶主要分布在3eV到10eV之間，導帶底主要由Zn原子的4s軌道電子貢獻，在導帶底附近，Zn原子4s軌道的態(tài)密度出現(xiàn)一個明顯的峰，說明在導帶底處，Zn原子4s軌道電子的分布較為集中。當x=0.5時，隨著Cd原子的加入，態(tài)密度發(fā)生了顯著變化。在價帶部分，雖然O原子2p軌道仍然是主要貢獻者，但由于Cd原子的影響，價帶的態(tài)密度分布發(fā)生了一定的改變。在-5eV到-3eV范圍內(nèi)，態(tài)密度的峰形變得更加復雜，這是因為Cd原子的電子軌道與O原子2p軌道之間發(fā)生了相互作用，導致電子態(tài)的重新分布。在導帶部分，Cd原子的5s軌道電子對導帶底的態(tài)密度貢獻增大。在導帶底附近，出現(xiàn)了Zn原子4s軌道和Cd原子5s軌道電子共同貢獻的態(tài)密度峰，這表明在這個能量區(qū)域內(nèi)，Zn原子和Cd原子的電子相互作用強烈，形成了新的電子態(tài)。同時，在更高能量區(qū)域，Zn原子和Cd原子的其他軌道電子也對導帶態(tài)密度有一定的貢獻，使得導帶的態(tài)密度分布更加豐富。對于x=1（純CdO），態(tài)密度分布與ZnO和x=0.5時的合金又有所不同。在價帶中，O原子2p軌道仍然是主要的貢獻軌道，但與ZnO相比，其態(tài)密度分布的細節(jié)發(fā)生了變化。由于Cd原子的電子結(jié)構(gòu)與Zn原子不同，Cd原子與O原子之間的相互作用導致O原子2p軌道電子的能量分布和態(tài)密度發(fā)生改變。在導帶中，Cd原子的5s軌道電子成為導帶底的主要貢獻者，導帶底附近的態(tài)密度峰主要由Cd原子5s軌道電子形成。與ZnO的導帶底相比，CdO導帶底的態(tài)密度峰位置和形狀都有明顯差異，這進一步說明了CdO與ZnO在電子結(jié)構(gòu)上的不同。隨著ZnxCd1-xO合金中Cd含量x的增加，從態(tài)密度分析中可以看出，導帶底的能量逐漸降低，這與能帶結(jié)構(gòu)分析中禁帶寬度減小的結(jié)果一致。這是因為Cd原子的5s軌道電子能量較低，隨著Cd含量的增加，更多的Cd原子5s軌道電子參與到導帶中，拉低了導帶底的能量。同時，價帶頂?shù)哪芰恳灿幸欢ǔ潭鹊纳?，這是由于Cd原子與O原子之間的相互作用改變了O原子2p軌道電子的能量狀態(tài)。態(tài)密度的變化也反映了合金中原子間化學鍵性質(zhì)的變化。隨著Cd含量的增加，Zn-O鍵和Cd-O鍵的比例發(fā)生改變，不同鍵的電子云分布和相互作用不同，導致態(tài)密度的變化。在x=0.5的合金中，Zn-O鍵和Cd-O鍵共存，它們之間的相互作用使得合金的電子結(jié)構(gòu)和態(tài)密度呈現(xiàn)出復雜的特征。3.2影響ZnxCd1-xO合金電子結(jié)構(gòu)的因素3.2.1Zn、Cd含量的影響通過對比不同Zn、Cd含量下ZnxCd1-xO合金的計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)Zn、Cd含量的變化對合金電子結(jié)構(gòu)有著顯著影響。從能帶結(jié)構(gòu)角度來看，隨著Cd含量x的增加，合金的禁帶寬度逐漸減小。在x=0（純ZnO）時，禁帶寬度計算值約為3.2eV，當x=0.5時，禁帶寬度減小至約2.8eV，而x=1（純CdO）時，禁帶寬度進一步減小到約2.2eV。這種帶隙的變化主要源于Zn和Cd原子電子軌道的差異。Zn原子的4s軌道電子能量相對較高，而Cd原子的5s軌道電子能量較低。當Cd含量增加時，更多的Cd原子5s軌道電子參與到合金的電子結(jié)構(gòu)中，使得導帶底的能量降低。同時，由于Cd原子與O原子之間的相互作用，改變了O原子2p軌道電子的能量狀態(tài)，導致價帶頂?shù)哪芰柯杂猩摺＿@一降一升的變化共同作用，使得合金的禁帶寬度逐漸減小。從電子云分布角度分析，隨著Zn、Cd含量的改變，合金中原子間的電子云分布也發(fā)生明顯變化。在純ZnO中，Zn-O鍵的電子云分布具有一定的方向性和共價性。由于Zn原子的電負性與O原子的電負性存在差異，電子云在Zn和O原子之間存在一定程度的偏移。當Cd原子逐漸替代Zn原子時，由于Cd原子的電負性與Zn原子略有不同，且原子半徑較大，導致Cd-O鍵的電子云分布與Zn-O鍵有所不同。Cd-O鍵的電子云相對更加彌散，這是因為Cd原子半徑大，其與O原子形成的化學鍵中電子的離域性增強。在x=0.5的合金中，同時存在Zn-O鍵和Cd-O鍵，兩種鍵的電子云相互作用，使得合金中的電子云分布變得更為復雜。這種電子云分布的改變不僅影響了原子間的化學鍵性質(zhì)，還對合金的電學和光學性質(zhì)產(chǎn)生影響。在電學性質(zhì)方面，電子云分布的變化會影響載流子的遷移率和散射機制。在光學性質(zhì)方面，電子云分布的改變會影響光吸收和發(fā)射過程中電子的躍遷概率，進而影響合金的光吸收和發(fā)射特性。3.2.2晶格結(jié)構(gòu)的作用晶格結(jié)構(gòu)對ZnxCd1-xO合金的電子結(jié)構(gòu)有著重要作用。ZnxCd1-xO合金的晶格結(jié)構(gòu)會隨著Zn、Cd含量的變化而改變。當x較小時，合金更傾向于ZnO的纖鋅礦結(jié)構(gòu)，隨著x的增大，逐漸向CdO的立方巖鹽結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。這種晶格結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變會導致晶格畸變和晶格常數(shù)的變化。在從纖鋅礦結(jié)構(gòu)向立方巖鹽結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的過程中，由于Zn和Cd原子半徑的差異，會引起晶格內(nèi)部原子間距離和鍵角的變化，從而產(chǎn)生晶格畸變。晶格常數(shù)也會隨著結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變而發(fā)生改變。研究表明，隨著Cd含量的增加，合金的晶格常數(shù)a和c均會逐漸增大。在纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO中，晶格常數(shù)a相對較小，隨著Cd原子的引入，由于Cd原子半徑大于Zn原子，使得晶格膨脹，晶格常數(shù)a逐漸增大。晶格結(jié)構(gòu)的變化與電子結(jié)構(gòu)之間存在著緊密的關(guān)聯(lián)。晶格畸變會導致原子的相對位置發(fā)生改變，進而影響原子間的電子云重疊程度。在晶格畸變的情況下，原子軌道之間的相互作用發(fā)生變化，使得電子態(tài)的分布和能量發(fā)生改變。在ZnxCd1-xO合金中，當晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變時，Zn-O鍵和Cd-O鍵的鍵長和鍵角發(fā)生變化，導致電子云在原子間的分布發(fā)生改變，從而影響了合金的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度分布。晶格常數(shù)的變化也會對電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。晶格常數(shù)的增大或減小會改變原子間的距離，從而影響原子間的相互作用強度。當晶格常數(shù)增大時，原子間的距離增大，電子云的重疊程度減小，原子間的相互作用減弱，這會導致能帶結(jié)構(gòu)的變化。在導帶和價帶中，電子態(tài)的能量和分布會因為原子間相互作用的改變而發(fā)生變化，進而影響合金的電學和光學性質(zhì)。在光學性質(zhì)方面，晶格結(jié)構(gòu)的變化會影響光吸收和發(fā)射過程中電子的躍遷路徑和概率，從而改變合金的光吸收和發(fā)射特性。在電學性質(zhì)方面，晶格結(jié)構(gòu)的變化會影響載流子的散射機制和遷移率，進而影響合金的導電性。3.3ZnxCd1-xO合金電子結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系3.3.1光學性能ZnxCd1-xO合金的電子結(jié)構(gòu)與光學性能之間存在著緊密的聯(lián)系，尤其是帶隙與光吸收、發(fā)射特性之間的關(guān)系對合金在光學應(yīng)用中的表現(xiàn)起著關(guān)鍵作用。從光吸收特性來看，當光子能量大于合金的禁帶寬度時，會發(fā)生電子從價帶向?qū)У能S遷，從而產(chǎn)生光吸收現(xiàn)象。隨著ZnxCd1-xO合金中Cd含量x的增加，禁帶寬度逐漸減小，這意味著能夠激發(fā)電子躍遷的光子能量閾值降低。在x=0（純ZnO）時，禁帶寬度較大，只有能量較高的紫外光光子才能激發(fā)電子躍遷，實現(xiàn)光吸收。而當x=0.5時，禁帶寬度減小，一些能量較低的近紫外光光子也能夠滿足電子躍遷的能量需求，使得合金對光的吸收范圍向長波長方向擴展。通過對不同成分合金的光吸收系數(shù)進行計算分析發(fā)現(xiàn)，隨著帶隙的減小，合金在長波長區(qū)域的光吸收系數(shù)逐漸增大。這是因為帶隙減小后，更多波長的光子能夠激發(fā)電子躍遷，且躍遷概率增加，從而導致光吸收系數(shù)增大。這種光吸收特性的變化使得ZnxCd1-xO合金在光吸收器件中具有潛在的應(yīng)用價值。在光探測器中，可以根據(jù)所需探測的光波長范圍，通過調(diào)整合金中Cd的含量來優(yōu)化光吸收性能，提高探測器的靈敏度。在光發(fā)射特性方面，當電子從導帶躍遷回價帶時，會以光子的形式釋放能量，產(chǎn)生光發(fā)射。合金的禁帶寬度決定了光發(fā)射的波長。由于ZnxCd1-xO合金的禁帶寬度隨Cd含量變化而改變，因此其光發(fā)射波長也會相應(yīng)變化。隨著Cd含量x的增加，禁帶寬度減小，光發(fā)射波長向長波長方向移動，即發(fā)生紅移。通過光致發(fā)光（PL）光譜測試可以觀察到這種現(xiàn)象。在不同x值的ZnxCd1-xO合金的PL光譜中，近帶邊發(fā)射峰隨著x的增大逐漸向低能量方向移動。這表明可以通過調(diào)整合金成分來實現(xiàn)對光發(fā)射波長的精確調(diào)控。這種光發(fā)射波長的可調(diào)性使得ZnxCd1-xO合金在發(fā)光二極管（LED）、激光二極管等光發(fā)射器件中具有重要的應(yīng)用前景。在LED應(yīng)用中，可以根據(jù)不同的照明和顯示需求，制備出具有特定發(fā)光波長的ZnxCd1-xO合金LED，實現(xiàn)高效的發(fā)光。3.3.2電學性能ZnxCd1-xO合金的電子結(jié)構(gòu)對其電學性能有著顯著的影響，其中載流子濃度、遷移率與電子結(jié)構(gòu)的關(guān)系在電學器件應(yīng)用中尤為關(guān)鍵。載流子濃度是影響材料電學性能的重要參數(shù)之一。在ZnxCd1-xO合金中，電子和空穴是主要的載流子。合金的電子結(jié)構(gòu)決定了載流子的產(chǎn)生和復合過程。從能帶結(jié)構(gòu)角度分析，禁帶寬度的變化會影響本征載流子濃度。隨著Cd含量x的增加，禁帶寬度減小，根據(jù)半導體物理理論，本征載流子濃度會增加。這是因為禁帶寬度減小后，電子更容易從價帶激發(fā)到導帶，從而產(chǎn)生更多的電子-空穴對。雜質(zhì)和缺陷也會對載流子濃度產(chǎn)生影響。在合金制備過程中，可能會引入一些雜質(zhì)原子，這些雜質(zhì)原子會在能帶中引入雜質(zhì)能級。一些施主雜質(zhì)會向?qū)峁╇娮?，增加電子濃度；而受主雜質(zhì)會接受價帶中的電子，產(chǎn)生空穴，增加空穴濃度。通過第一性原理計算可以分析雜質(zhì)原子在合金中的電子結(jié)構(gòu)和能級分布，從而預測雜質(zhì)對載流子濃度的影響。在實際應(yīng)用中，精確控制載流子濃度對于優(yōu)化電學器件性能至關(guān)重要。在半導體器件中，如場效應(yīng)晶體管（FET），合適的載流子濃度可以提高器件的開關(guān)速度和工作效率。載流子遷移率也是影響電學性能的關(guān)鍵因素。載流子遷移率反映了載流子在材料中移動的難易程度。ZnxCd1-xO合金的電子結(jié)構(gòu)會影響載流子遷移率。從原子層面來看，晶格結(jié)構(gòu)和原子間的相互作用會影響載流子的散射機制。當晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變時，原子的相對位置改變，會導致載流子在運動過程中與晶格原子發(fā)生散射，從而降低遷移率。在ZnxCd1-xO合金中，隨著Cd含量的增加，晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，晶格畸變可能會增大，進而影響載流子遷移率。電子與雜質(zhì)、缺陷的相互作用也會影響遷移率。雜質(zhì)原子和缺陷會在晶格中形成局部的電荷分布不均勻區(qū)域，載流子在通過這些區(qū)域時會受到散射，降低遷移率。通過研究合金的電子結(jié)構(gòu)，可以分析雜質(zhì)和缺陷對載流子遷移率的影響機制。在實際應(yīng)用中，提高載流子遷移率可以降低器件的電阻，提高電學性能。在高速電子器件中，高遷移率的材料能夠?qū)崿F(xiàn)更快的信號傳輸和更低的功耗。因此，深入理解ZnxCd1-xO合金電子結(jié)構(gòu)與載流子濃度、遷移率的關(guān)系，對于開發(fā)高性能的電學器件具有重要意義。四、巖鹽結(jié)構(gòu)化合物電子結(jié)構(gòu)的第一性原理研究4.1典型巖鹽結(jié)構(gòu)化合物電子結(jié)構(gòu)計算4.1.1選擇研究對象本研究選取了NaCl和MgO作為典型的巖鹽結(jié)構(gòu)化合物進行深入研究。NaCl是最為典型的巖鹽結(jié)構(gòu)化合物之一，其晶體結(jié)構(gòu)中，Na?離子和Cl?離子交替排列，形成面心立方晶格。由于其結(jié)構(gòu)簡單且具有代表性，對NaCl的研究能夠為理解巖鹽結(jié)構(gòu)化合物的基本電子結(jié)構(gòu)特征提供基礎(chǔ)。在離子晶體研究中，NaCl常被作為標準模型，通過對其電子結(jié)構(gòu)的研究，可以建立起離子鍵、電子云分布等基本概念，進而拓展到其他復雜的巖鹽結(jié)構(gòu)化合物。在研究離子晶體的電學性質(zhì)時，以NaCl為基礎(chǔ)，能夠深入分析離子在電場作用下的遷移機制和電子的傳導過程。同時，NaCl在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用，如在食品調(diào)味、化工原料、醫(yī)藥等領(lǐng)域都不可或缺。在化工生產(chǎn)中，NaCl是制備氯氣、燒堿等重要化學品的基礎(chǔ)原料，對其電子結(jié)構(gòu)的深入了解有助于優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量。MgO同樣具有巖鹽結(jié)構(gòu)，與NaCl相比，MgO中的離子鍵具有更強的離子性。由于Mg2?離子的電荷數(shù)比Na?離子多，且離子半徑相對較小，使得MgO中的離子鍵強度更大。這種差異導致MgO在物理性質(zhì)上與NaCl有很大不同，如MgO具有更高的熔點（2852℃）和硬度。研究MgO的電子結(jié)構(gòu)，能夠進一步探究離子鍵強度、離子電荷數(shù)和離子半徑等因素對巖鹽結(jié)構(gòu)化合物電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的影響機制。在材料科學中，MgO作為一種重要的耐火材料和陶瓷材料，其電子結(jié)構(gòu)與材料的高溫穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性等性能密切相關(guān)。通過研究MgO的電子結(jié)構(gòu)，可以為其在高溫環(huán)境下的應(yīng)用提供理論依據(jù)，如在冶金工業(yè)中，MgO常用于制作耐火坩堝，研究其電子結(jié)構(gòu)有助于提高坩堝的使用壽命和性能。此外，MgO在電子器件領(lǐng)域也有潛在應(yīng)用，如作為絕緣材料，對其電子結(jié)構(gòu)的研究可以優(yōu)化其絕緣性能，滿足電子器件對高性能絕緣材料的需求。4.1.2計算結(jié)果展示與分析通過基于第一性原理的計算，獲得了NaCl和MgO的電子結(jié)構(gòu)信息，包括能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度等。圖3展示了NaCl的能帶結(jié)構(gòu)，從圖中可以看出，NaCl的能帶結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出典型的離子晶體特征。價帶主要由Cl?離子的3p軌道電子構(gòu)成，在價帶頂，Cl?離子3p軌道電子形成了較為平坦的區(qū)域，這表明這些電子具有一定的定域性。導帶則主要由Na?離子的3s軌道電子貢獻，導帶底相對較為陡峭，說明電子在導帶中的離域性較強。在價帶中，Cl?離子3p軌道電子之間存在一定的相互作用，使得價帶的態(tài)密度分布呈現(xiàn)出復雜的特征。而在導帶中，Na?離子3s軌道電子的能量分布相對較寬，有利于電子的傳導。NaCl的禁帶寬度計算值約為7.6eV，屬于寬禁帶材料，這使得NaCl在常溫下表現(xiàn)出良好的絕緣性能。由于其寬禁帶特性，電子很難從價帶激發(fā)到導帶，從而限制了電子的移動，使得NaCl在電絕緣方面具有重要應(yīng)用。圖4為NaCl的態(tài)密度圖，進一步分析其態(tài)密度可以發(fā)現(xiàn)，在價帶中，Cl?離子3p軌道電子在-10eV到-2eV范圍內(nèi)有明顯的態(tài)密度峰，表明這些能量區(qū)域內(nèi)電子分布較為集中。在-6eV左右，態(tài)密度出現(xiàn)一個較強的峰，這主要是由于Cl?離子3p軌道電子的特定能量分布導致的。在導帶中，Na?離子3s軌道電子在0eV到10eV范圍內(nèi)對態(tài)密度有貢獻，在導帶底附近，Na?離子3s軌道電子的態(tài)密度出現(xiàn)一個小峰，說明在導帶底處，Na?離子3s軌道電子有一定的分布。從總態(tài)密度來看，價帶和導帶之間存在明顯的能隙，這與能帶結(jié)構(gòu)中禁帶寬度的結(jié)果一致。對于MgO，其能帶結(jié)構(gòu)如圖5所示。MgO的價帶主要由O2?離子的2p軌道電子組成，導帶則主要源于Mg2?離子的3s軌道電子。與NaCl相比，MgO的禁帶寬度更大，計算值約為8.8eV。這是因為Mg2?離子的電荷數(shù)比Na?離子多，對電子的束縛作用更強，使得電子從價帶激發(fā)到導帶需要更高的能量。在價帶頂，O2?離子2p軌道電子形成了較為平坦的區(qū)域，電子定域性較強。而導帶底相對較窄，電子離域性相對較弱。由于Mg2?離子與O2?離子之間的離子鍵強度較大，電子云分布相對集中，導致導帶底的電子態(tài)密度分布較為狹窄。MgO的態(tài)密度圖（圖6）顯示，在價帶中，O2?離子2p軌道電子在-10eV到-3eV范圍內(nèi)有顯著的態(tài)密度峰，在-6eV到-4eV之間，態(tài)密度峰較為尖銳，表明該能量區(qū)域內(nèi)O2?離子2p軌道電子分布集中。這是由于O2?離子的電子結(jié)構(gòu)和與Mg2?離子的相互作用導致的。在導帶中，Mg2?離子3s軌道電子在0eV到10eV范圍內(nèi)對態(tài)密度有貢獻，在導帶底附近，Mg2?離子3s軌道電子的態(tài)密度相對較低。這是因為Mg2?離子的3s軌道電子在形成離子鍵后，電子云分布發(fā)生變化，導致在導帶底的態(tài)密度較低。從總態(tài)密度來看，MgO的價帶和導帶之間的能隙明顯，與能帶結(jié)構(gòu)中的禁帶寬度相符。通過對比NaCl和MgO的電子結(jié)構(gòu)計算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，盡管它們都具有巖鹽結(jié)構(gòu)，但由于陽離子和陰離子的不同，其電子結(jié)構(gòu)存在明顯差異。這些差異不僅體現(xiàn)在能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度分布上，還反映在化合物的物理性質(zhì)上。MgO較高的禁帶寬度使其在絕緣性能上優(yōu)于NaCl，而NaCl相對較窄的禁帶寬度在一些特定的應(yīng)用場景中可能具有優(yōu)勢，如在某些離子導體材料中，適當?shù)慕麕挾扔欣陔x子的傳導。對NaCl和MgO電子結(jié)構(gòu)的研究，為深入理解巖鹽結(jié)構(gòu)化合物的電子結(jié)構(gòu)特征和物理性質(zhì)提供了重要依據(jù)，也為進一步研究其他巖鹽結(jié)構(gòu)化合物奠定了基礎(chǔ)。4.2巖鹽結(jié)構(gòu)化合物電子結(jié)構(gòu)的共性與特性4.2.1共性特征從化學鍵角度來看，巖鹽結(jié)構(gòu)化合物中陽離子和陰離子之間主要通過離子鍵相互作用。以NaCl和MgO為例，在NaCl中，Na?離子和Cl?離子之間的靜電引力形成離子鍵，這種離子鍵使得離子在晶格中相對穩(wěn)定地排列。在MgO中，Mg2?離子和O2?離子之間同樣通過離子鍵結(jié)合。離子鍵的形成源于陽離子和陰離子的電荷差異，陽離子失去電子形成正離子，陰離子得到電子形成負離子，它們之間的靜電作用使晶體結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。由于離子鍵的作用，巖鹽結(jié)構(gòu)化合物通常具有較高的熔點和硬度。MgO的熔點高達2852℃，這是因為要破壞Mg2?離子和O2?離子之間的離子鍵需要較高的能量。在晶體中，離子鍵的強度較大，使得晶體在宏觀上表現(xiàn)出較高的硬度。在受到外力作用時，離子鍵能夠抵抗一定程度的變形，從而保持晶體的完整性。從能帶結(jié)構(gòu)角度分析，巖鹽結(jié)構(gòu)化合物大多具有明顯的禁帶。在NaCl中，禁帶寬度計算值約為7.6eV，MgO的禁帶寬度計算值約為8.8eV。在價帶中，主要由陰離子的價電子軌道構(gòu)成，如NaCl的價帶主要由Cl?離子的3p軌道電子構(gòu)成，MgO的價帶主要由O2?離子的2p軌道電子組成。這些陰離子的價電子在價帶中形成相對穩(wěn)定的電子態(tài)。導帶則主要由陽離子的外層電子軌道貢獻，如NaCl的導帶主要由Na?離子的3s軌道電子貢獻，MgO的導帶主要源于Mg2?離子的3s軌道電子。這種能帶結(jié)構(gòu)使得電子在價帶和導帶之間的躍遷需要一定的能量，即禁帶寬度。由于禁帶的存在，在常溫下，電子很難從價帶激發(fā)到導帶，使得巖鹽結(jié)構(gòu)化合物在電學性質(zhì)上通常表現(xiàn)為絕緣體或半導體。在一些應(yīng)用中，如作為絕緣材料，巖鹽結(jié)構(gòu)化合物的這種電學性質(zhì)得到了充分利用。在態(tài)密度分布上，巖鹽結(jié)構(gòu)化合物也具有一定的共性。在價帶區(qū)域，態(tài)密度分布主要反映了陰離子價電子軌道的貢獻。在NaCl的價帶中，Cl?離子3p軌道電子在-10eV到-2eV范圍內(nèi)有明顯的態(tài)密度峰，表明這些能量區(qū)域內(nèi)電子分布較為集中。在MgO的價帶中，O2?離子2p軌道電子在-10eV到-3eV范圍內(nèi)有顯著的態(tài)密度峰。這些峰的存在表明在價帶中，陰離子的價電子在特定能量區(qū)域內(nèi)具有較高的態(tài)密度，即電子在這些能量狀態(tài)下存在的概率較大。在導帶區(qū)域，態(tài)密度分布主要與陽離子的外層電子軌道相關(guān)。在NaCl的導帶中，Na?離子3s軌道電子在0eV到10eV范圍內(nèi)對態(tài)密度有貢獻，在導帶底附近，Na?離子3s軌道電子的態(tài)密度出現(xiàn)一個小峰。在MgO的導帶中，Mg2?離子3s軌道電子在0eV到10eV范圍內(nèi)對態(tài)密度有貢獻，在導帶底附近，Mg2?離子3s軌道電子的態(tài)密度相對較低。這種態(tài)密度分布特征反映了陽離子外層電子在導帶中的能量分布和電子態(tài)的特征。4.2.2特性差異不同巖鹽結(jié)構(gòu)化合物的電子結(jié)構(gòu)存在顯著的特性差異，這些差異主要源于原子種類和離子半徑等因素的影響。原子種類的不同導致電子結(jié)構(gòu)的差異十分明顯。在NaCl和MgO中，由于陽離子Na?和Mg2?以及陰離子Cl?和O2?的電子結(jié)構(gòu)不同，使得它們的電子結(jié)構(gòu)存在很大區(qū)別。從離子電荷數(shù)來看，Mg2?離子的電荷數(shù)為+2，而Na?離子的電荷數(shù)為+1，這使得Mg2?離子對電子的吸引作用更強。在MgO中，Mg2?離子與O2?離子之間的離子鍵強度更大，電子云分布相對更集中于離子周圍。這種電子云分布的差異導致MgO的禁帶寬度比NaCl更大。在能帶結(jié)構(gòu)中，由于Mg2?離子對電子的束縛作用更強，電子從價帶激發(fā)到導帶需要更高的能量，從而使得MgO的禁帶寬度增大。在態(tài)密度分布上，不同原子種類的電子軌道能量和電子云分布不同，導致態(tài)密度的分布特征也不同。Cl?離子的3p軌道電子和O2?離子的2p軌道電子在能量和電子云分布上存在差異，使得NaCl和MgO的價帶態(tài)密度分布有明顯區(qū)別。離子半徑也是影響巖鹽結(jié)構(gòu)化合物電子結(jié)構(gòu)的重要因素。一般來說，離子半徑的變化會影響離子間的距離和電子云的重疊程度，進而影響電子結(jié)構(gòu)。在巖鹽結(jié)構(gòu)中，陽離子和陰離子的半徑比會影響離子的配位數(shù)和晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。當陽離子半徑增大時，為了保持晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，陰離子可能需要調(diào)整其排列方式，這會導致電子云的分布發(fā)生變化。在一些巖鹽結(jié)構(gòu)化合物中，如果陽離子半徑過大，可能會導致離子鍵的強度減弱，因為離子間的距離增大，靜電引力減小。在電子結(jié)構(gòu)上，這種變化可能表現(xiàn)為能帶結(jié)構(gòu)的改變，如禁帶寬度的變化。當離子鍵強度減弱時，電子更容易在離子間移動，可能導致禁帶寬度減小。離子半徑的變化還會影響態(tài)密度分布。由于離子半徑的改變會影響電子云的重疊程度，從而影響電子在不同能量狀態(tài)下的分布，導致態(tài)密度分布發(fā)生變化。4.3巖鹽結(jié)構(gòu)化合物電子結(jié)構(gòu)與性能關(guān)聯(lián)4.3.1力學性能巖鹽結(jié)構(gòu)化合物的電子結(jié)構(gòu)與力學性能之間存在著緊密的內(nèi)在聯(lián)系。從硬度角度來看，離子鍵的強度對硬度有著關(guān)鍵影響。在巖鹽結(jié)構(gòu)中，陽離子和陰離子之間通過離子鍵相互作用，離子鍵的強度決定了晶體抵抗外力變形的能力。以MgO為例，由于Mg2?離子的電荷數(shù)比Na?離子多，且離子半徑相對較小，使得MgO中的離子鍵強度比NaCl中的離子鍵強度更大。這種較強的離子鍵使得MgO在受到外力作用時，離子間的相對位移更加困難，從而表現(xiàn)出更高的硬度。從電子結(jié)構(gòu)角度分析，離子鍵的強度與離子間的電子云分布密切相關(guān)。在MgO中，Mg2?離子和O2?離子之間的電子云分布相對更集中于離子周圍，形成了較強的靜電引力，即離子鍵。當外力試圖使晶體發(fā)生變形時，需要克服這種強大的離子鍵力，因此MgO具有較高的硬度。而在NaCl中，離子鍵強度相對較弱，離子間的電子云分布相對較分散，使得其硬度低于MgO。彈性模量是衡量材料抵抗彈性變形能力的重要參數(shù)，它也與巖鹽結(jié)構(gòu)化合物的電子結(jié)構(gòu)相關(guān)。彈性模量與離子間的相互作用能有關(guān)。在巖鹽結(jié)構(gòu)化合物中，離子間的相互作用能越大，彈性模量就越高。這是因為當材料受到外力作用發(fā)生彈性變形時，離子間的距離會發(fā)生微小變化，相互作用能也會隨之改變。相互作用能大的材料，在離子間距離變化時，需要消耗更多的能量來克服離子間的相互作用力，從而表現(xiàn)出較高的彈性模量。從電子結(jié)構(gòu)層面來看，離子間的相互作用能與離子的電荷數(shù)、離子半徑以及電子云分布有關(guān)。在具有巖鹽結(jié)構(gòu)的CaO中，Ca2?離子的電荷數(shù)為+2，離子半徑相對較大。由于Ca2?離子的電荷數(shù)較多，與O2?離子之間的靜電引力較強，同時其較大的離子半徑也會影響電子云的分布，使得離子間的相互作用能較大。這導致CaO具有較高的彈性模量，在受到外力作用時，能夠保持較好的彈性穩(wěn)定性。相比之下，一些電荷數(shù)較少、離子半徑較小的陽離子組成的巖鹽結(jié)構(gòu)化合物，其離子間相互作用能相對較小，彈性模量也較低。4.3.2化學穩(wěn)定性巖鹽結(jié)構(gòu)化合物的電子結(jié)構(gòu)對其化學穩(wěn)定性有著重要影響，這種影響主要體現(xiàn)在電子云分布和化學鍵強度與化學穩(wěn)定性的關(guān)系上。從電子云分布角度來看，電子云的分布情況決定了原子或離子對外界化學物質(zhì)的反應(yīng)活性。在巖鹽結(jié)構(gòu)化合物中，陽離子和陰離子的電子云分布相對集中在離子周圍。在NaCl中，Na?離子和Cl?離子的電子云分別圍繞各自的離子，形成相對穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu)。這種電子云分布使得NaCl在常溫常壓下具有較好的化學穩(wěn)定性，不易與其他物質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)。然而，當外界條件發(fā)生變化時，如溫度升高或存在強氧化劑時，電子云的分布可能會發(fā)生改變。在高溫下，離子的熱運動加劇，電子云的分布會變得更加彌散，使得離子的反應(yīng)活性增加。如果存在強氧化劑，氧化劑分子可能會與NaCl中的離子發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，改變電子云的分布，從而引發(fā)化學反應(yīng)?；瘜W鍵強度是影響化學穩(wěn)定性的另一個重要因素。在巖鹽結(jié)構(gòu)化合物中，離子鍵的強度決定了化合物抵抗化學反應(yīng)的能力。以MgO為例，其離子鍵強度較大，使得MgO在化學性質(zhì)上相對穩(wěn)定。在一般的化學反應(yīng)條件下，很難破壞MgO中的離子鍵，從而使其不易發(fā)生化學反應(yīng)。而對于一些離子鍵強度較弱的巖鹽結(jié)構(gòu)化合物，如某些鹵化物，其化學穩(wěn)定性相對較差。在遇到水或其他化學試劑時，較弱的離子鍵容易被破壞，導致化合物發(fā)生分解或與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。在一些巖鹽結(jié)構(gòu)的金屬鹵化物中，由于鹵離子與金屬離子之間的離子鍵強度相對較弱，當它們與水接觸時，水分子會與離子發(fā)生相互作用，破壞離子鍵，使化合物溶解并發(fā)生水解反應(yīng)。因此，巖鹽結(jié)構(gòu)化合物的電子云分布和化學鍵強度共同決定了其化學穩(wěn)定性，深入研究這些因素有助于更好地理解和調(diào)控巖鹽結(jié)構(gòu)化合物的化學性質(zhì)。五、對比與討論5.1ZnxCd1-xO合金與巖鹽結(jié)構(gòu)化合物電子結(jié)構(gòu)對比在能帶結(jié)構(gòu)方面，ZnxCd1-xO合金與巖鹽結(jié)構(gòu)化合物存在顯著差異。ZnxCd1-xO合金的能帶結(jié)構(gòu)隨Zn、Cd含量變化而改變，呈現(xiàn)出連續(xù)的變化趨勢。當Zn含量較高時，合金更接近ZnO的能帶特征，導帶底主要由Zn原子的4s軌道電子構(gòu)成，價帶頂主要由O原子的2p軌道電子構(gòu)成。隨著Cd含量增加，Cd原子的5s軌道電子對導帶底的貢獻逐漸增大，導致導帶底能量降低，禁帶寬度減小。這種連續(xù)的能帶變化是由于Zn和Cd原子在合金中的逐漸替代，使得電子軌道的相互作用發(fā)生連續(xù)改變。相比之下，巖鹽結(jié)構(gòu)化合物的能帶結(jié)構(gòu)相對較為穩(wěn)定，主要取決于陽離子和陰離子的種類。以NaCl為例，其價帶主要由Cl?離子的3p軌道電子構(gòu)成，導帶主要由Na?離子的3s軌道電子貢獻，禁帶寬度相對固定，約為7.6eV。在MgO中，價帶主要由O2?離子的2p軌道電子組成，導帶主要源于Mg2?離子的3s軌道電子，禁帶寬度約為8.8eV。巖鹽結(jié)構(gòu)化合物的能帶結(jié)構(gòu)相對固定是因為其晶體結(jié)構(gòu)中陽離子和陰離子的排列方式較為規(guī)則，離子鍵的強度和電子云分布相對穩(wěn)定。在態(tài)密度分布上，兩者也有明顯區(qū)別。ZnxCd1-xO合金的態(tài)密度分布隨著成分變化而改變。在x=0（純ZnO）時，價帶主要在-10eV到0eV之間，O原子2p軌道對態(tài)密度貢獻較大，導帶主要在3eV到10eV之間，Zn原子4s軌道電子對導帶底態(tài)密度貢獻明顯。當x=0.5時，隨著Cd原子加入，Cd原子的5s軌道電子對導帶底態(tài)密度貢獻增大，價帶中由于Cd原子與O原子的相互作用，態(tài)密度分布也發(fā)生改變。而巖鹽結(jié)構(gòu)化合物的態(tài)密度分布具有一定的共性特征。在價帶區(qū)域，態(tài)密度主要反映陰離子價電子軌道的貢獻。在NaCl的價帶中，Cl?離子3p軌道電子在-10eV到-2eV范圍內(nèi)有明顯的態(tài)密度峰。在MgO的價帶中，O2?離子2p軌道電子在-10eV到-3eV范圍內(nèi)有顯著的態(tài)密度峰。在導帶區(qū)域，態(tài)密度主要與陽離子的外層電子軌道相關(guān)。在NaCl的導帶中，Na?離子3s軌道電子在0eV到10eV范圍內(nèi)對態(tài)密度有貢獻。在MgO的導帶中，Mg2?離子3s軌道電子在0eV到10eV范圍內(nèi)對態(tài)密度有貢獻。造成這些差異的原因主要在于晶體結(jié)構(gòu)和原子組成的不同。ZnxCd1-xO合金的晶體結(jié)構(gòu)在ZnO的纖鋅礦結(jié)構(gòu)和CdO的立方巖鹽結(jié)構(gòu)之間變化，原子組成中Zn和Cd的比例不斷改變，導致電子云分布和原子間相互作用復雜多變，從而使能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度分布呈現(xiàn)連續(xù)變化。而巖鹽結(jié)構(gòu)化合物具有規(guī)則的面心立方晶格結(jié)構(gòu)，陽離子和陰離子的種類相對固定，離子鍵的作用相對穩(wěn)定，使得其電子結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度分布也較為固定。5.2研究結(jié)果的理論與實際應(yīng)用探討從理論層面而言，本研究對ZnxCd1-xO合金和巖鹽結(jié)構(gòu)化合物電子結(jié)構(gòu)的深入剖析，為材料電子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展貢獻了關(guān)鍵數(shù)據(jù)與理論依據(jù)。在ZnxCd1-xO合金的研究中，明確了Zn、Cd含量以及晶格結(jié)構(gòu)對電子結(jié)構(gòu)的影響機制，這有助于進一步完善半導體合金電子結(jié)構(gòu)理論。在傳統(tǒng)的半導體合金理論中，對于合金成分與晶格結(jié)構(gòu)協(xié)同作用于電子結(jié)構(gòu)的研究相對薄弱，本研究通過精確的第一性原理計算，揭示了Zn和Cd原子在合金中的電子軌道相互作用以及晶格結(jié)構(gòu)變化導致的電子云分布改變，填補了這一理論空白，為深入理解半導體合金的物理性質(zhì)提供了更全面的理論框架。在巖鹽結(jié)構(gòu)化合物的研究中，總結(jié)出的化學鍵、能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度分布的共性與特性，為理解離子晶體的電子結(jié)構(gòu)提供了普適性的理論基礎(chǔ)。通過對不同巖鹽結(jié)構(gòu)化合物的對比分析，明確了原子種類和離子半徑等因素對電子結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，這有助于建立更加準確的離子晶體電子結(jié)構(gòu)模型，豐富了材料電子結(jié)構(gòu)理論的內(nèi)涵。在研究離子晶體的電學性質(zhì)時，本研究的結(jié)果可以為解釋離子傳導機制提供理論支持，進一步完善離子晶體電學性質(zhì)的理論體系。在實際應(yīng)用方面，本研究成果在材料設(shè)計和器件制備等領(lǐng)域具有重要的指導意義。在材料設(shè)計中，對于ZnxCd1-xO合金，由于明確了其電子結(jié)構(gòu)與光學、電學性能的關(guān)系，能夠根據(jù)不同的應(yīng)用需求，精準地設(shè)計合金成分和制備工藝。在設(shè)計光電器件時，可以通過調(diào)整Zn、Cd含量來精確調(diào)控合金的禁帶寬度，使其滿足特定波長光的發(fā)射或吸收需求。在制備藍光發(fā)光二極管時，可以通過控制合金中Cd的含量，使合金的禁帶寬度與藍光光子能量匹配，從而實現(xiàn)高效的藍光發(fā)射。在電學器件設(shè)計中，根據(jù)對載流子濃度和遷移率與電子結(jié)構(gòu)關(guān)系的研究，可以優(yōu)化合金的電學性能，提高器件的工作效率和穩(wěn)定性。在制備場效應(yīng)晶體管時，可以通過調(diào)整合金的電子結(jié)構(gòu)，優(yōu)化載流子的傳輸特性，降低器件的電阻，提高開關(guān)速度。對于巖鹽結(jié)構(gòu)化合物，基于對其電子結(jié)構(gòu)與力學、化學穩(wěn)定性關(guān)系的研究，可以為開發(fā)新型結(jié)構(gòu)材料和化學穩(wěn)定材料提供設(shè)計思路。在開發(fā)高溫結(jié)構(gòu)材料時，可以選擇離子鍵強度高、化學穩(wěn)定性好的巖鹽結(jié)構(gòu)化合物，通過優(yōu)化其電子結(jié)構(gòu)，提高材料的高溫力學性能和化學穩(wěn)定性。在冶金工業(yè)中，選擇具有合適電子結(jié)構(gòu)的巖鹽結(jié)構(gòu)化合物作為耐火材料，可以提高耐火材料的使用壽命和性能。在化學工業(yè)中，利用巖鹽結(jié)構(gòu)化合物的化學穩(wěn)定性，設(shè)計新型的催化劑載體，通過調(diào)控其電子結(jié)構(gòu)，提高催化劑的活性和選擇性。本研究結(jié)果在光電器件、傳感器、能源材料等多個領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。在光電器件領(lǐng)域，ZnxCd1-xO合金可用于制備高性能的紫外探測器、發(fā)光二極管和激光二極管等。在傳感器領(lǐng)域，利用其對某些氣體的吸附和電學響應(yīng)特性，可開發(fā)出高靈敏度的氣體傳感器。在能源材料領(lǐng)域，巖鹽結(jié)構(gòu)化合物可用于開發(fā)新型的電池材料和催化劑，提高能源轉(zhuǎn)換效率和存儲性能。在鋰離子電池中，通過研究巖鹽結(jié)構(gòu)化合物的電子結(jié)構(gòu)，開發(fā)新型的正極材料，提高電池的比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。5.3研究的創(chuàng)新點與不足本研究在方法、結(jié)果等方面展現(xiàn)出一定的創(chuàng)新之處。在研究方法上，運用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法，對ZnxCd1-xO合金和巖鹽結(jié)構(gòu)化合物進行研究。這種方法從量子力學的基本原理出發(fā)，不依賴于經(jīng)驗參數(shù)，能夠深入原子層面，準確地描述電子結(jié)構(gòu)和原子間相互作用。在處理ZnxCd1-xO合金中Zn和Cd原子的不同電子軌道相互作用時，第一性原理計算能夠精確地給出電子云分布和能量狀態(tài)，為理解合金的電子結(jié)構(gòu)提供了微觀層面的深入認識。在研究巖鹽結(jié)構(gòu)化合物時，通過精確的第一性原理計算，能夠清晰地分析離子鍵的特性和電子云分布，揭示化合物的電子結(jié)構(gòu)特征。與傳統(tǒng)的實驗研究方法相比，第一性原理計算能夠在原子尺度上進行模擬和分析，避免了實驗條件的限制，為材料研究提供了一種高效、準確的研究手段。在研究結(jié)果方面，本研究取得了一些新的發(fā)現(xiàn)。對于ZnxCd1-xO合金，系統(tǒng)地研究了不同成分下合金的電子結(jié)構(gòu)，明確了Zn、Cd含量以及晶格結(jié)構(gòu)對電子結(jié)構(gòu)的影響機制。通過計算不同x值下合金的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度，發(fā)現(xiàn)隨著Cd含量的增加，合金的禁帶寬度逐漸減小，且導帶底和價帶頂?shù)碾娮討B(tài)分布發(fā)生明顯變化。這種對合金電子結(jié)構(gòu)隨成分變化的詳細研究，為進一步理解合金的物理性質(zhì)提供了重要依據(jù)。在巖鹽結(jié)構(gòu)化合物的研究中，總結(jié)出了不同化合物在化學鍵、能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度分布上的共性與特性。通過對比NaCl和MgO等典型巖鹽結(jié)構(gòu)化合物，發(fā)現(xiàn)它們在離子鍵強度、禁帶寬度和態(tài)密度分布等方面存在差異，且這些差異與原子種類和離子半徑等因素密切相關(guān)。這種對巖鹽結(jié)構(gòu)化合物電子結(jié)構(gòu)共性與特性的總結(jié)，為深入理解離子晶體的電子結(jié)構(gòu)提供了新的視角。然而，本研究也存在一些不足之處。在計算精度方面，盡管第一性原理計算