毕业设计准备

兰州理工大学毕业设计(论文)

具有很深的能级，这与MgO具有半金属的特征是相符的，也与我们计算的能带结构和态密度是一致的。根据现有对MgO电子结构的认识和我们此次计算的结果可知，MgO纳米线的价带电子态不是均匀分布的，主要态贡献的下价带区和上价带其态密度表现出强烈的局域化特征，对MgO电子结构及成键特征具有重要影响，其向导带的跃迁过程是最主要的。因此反射光谱主要分布于2~10eV之间的高能量区的计算结果与现有实验结果一致。

Absorption40000300002000010000001020 304050Frequency(ev)

图3-10 MgO纳米线的吸收系数

MgO纳米线的吸收系数计算值如图3-10所示。可以看出MgO纳米线结构对光谱两端的光吸收性比较强。关于吸收曲线，主要吸收峰对应到轨道为键之间的跃迁了，需要注意的是吸收谱中出现了双峰结构，大约为3100 nm和4200nm。￡1在频率为0的极限情况对应的是MgO纳米线的静态介电常数。

Refractive Index 1.31.21.11.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10.0 nk 0102030Frequency(ev)4050

图3-11 MgO纳米线的折射指数

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1.81.61.41.21.00.80.60.40.20.00102030Frequency(ev)4050 Dielectric Function Re Im

图3-12 MgO纳米线的介电函数

介电函数作为沟通带间跃迁微观物理过程与固体电子结构的桥梁，反映了固体能带结构及其它各种光谱信息【9】。MgO作为半金属氧化物材料，其光谱是由能级间电子跃迁所产生的，各个介电峰可以通过MgO能带结构和态密度来解释。图3-12为此次理论计算的MgO纳米线结构的复介电函数随光子能量变化的曲线图。从某种意义上说，

复介电响应函数e(∞)比宏观光学常数更能表征材料的物理特性，更易于与物理过程的微观模型及固体的微观电子结构联系起来。使用Norm—Conserving赝势和GGA PW91近似，计算MgO的光学性质，所得到的介电函数实部￡1和虚部￡：如图3-12所示。由计算结果看，虚部和实部存在两个明显的峰值，实部在0.6 eV，虚部在1.6eV，对应的跃迁就是价带以P为主要成分的能带和导带sp混合能带，主要是P轨道。和兀反键态轨道之间的跃迁。介电实部随能量的增加而增大，当能量大约为2．88eV时达到最大值，然后随光子能量增大而逐渐减小，此时带问跃迁电子的光吸收明显增强，反射强度减弱。对于介电虚部，在大约3．1eV处显示出强烈的吸收带边特性，表明MgO纳米线也是一种优良透明导电薄膜材料。同时，主要跃迁峰都发生在2~10eV的能量区，10~40eV之间很平滑。

3.4 布居分析

通过Mulliken电子集居数的分析可以了解固体单胞中的电荷分布、转移和化学键性质。根据 Mulliken集居数的概念,分布于原子周围的键电子电荷，称为原子的电子集居数,分布在两原子之间的重叠电子电荷,称为重叠集居数[10]，它表征了两原子之问形成化学键的强度以及成键特征，重叠集居数越大，表明两原子形成的化学键越强，反之，表示成键越弱． 零值表明一个完美离子键，小于零值表明离子键的程度，大于零值表明原子间共价键的程度。

种类 序号 s p d f 总电子 电荷 (e) ============================================================== O 1 1.96 5.37 0.00 0.00 7.33 -1.33

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O 2 1.95 5.33 0.00 0.00 7.28 -1.28 O 3 1.95 5.33 0.00 0.00 7.28 -1.28 O 4 1.94 5.26 0.00 0.00 7.20 -1.20 O 5 1.95 5.33 0.00 0.00 7.28 -1.28 O 6 1.94 5.26 0.00 0.00 7.20 -1.20 O 7 1.95 5.33 0.00 0.00 7.28 -1.28 Mg 1 0.52 6.27 0.00 0.00 6.80 1.20 Mg 2 0.52 6.21 0.00 0.00 6.73 1.27 Mg 3 0.52 6.21 0.00 0.00 6.73 1.27 Mg 4 0.51 6.14 0.00 0.00 6.65 1.35 Mg 5 0.52 6.27 0.00 0.00 6.80 1.20 Mg 6 0.52 6.21 0.00 0.00 6.73 1.27 Mg 7 0.52 6.27 0.00 0.00 6.80 1.20 ==============================================================

表3-1 Mg和O原子的Mulliken布居分析

表3-1为MgO纳米线结构的Mg和O原子的电子布居，其中Mg原子优化前的价电子构型为Mg:2p83s2， 优化后电子构型为Mg: 2p6.273s0.52， 定域在Mg原子的电子数为6.80e，失去了1.20e，Mg原子失去电子 ，为电子的给予主． O原子优化前的价电子构型为O ：2s22p6，优化后电子构型为O ：2s1.952p5.33，定域在O原子的电子数为7.28e，得到了1.28e，为电子的受主。分析结果表明Mg原子和O原子形成的是离子键。

3.5结论

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了MgO及MgO

纳米线电子结构和光学性

质之间的关系。

ZnO理论预测是一种直接带隙半导体材料，导带底和价带顶都位于布里渊区中心G点。

利用材料模拟软件Material Studio 5.0精确计算了介质跃迁矩阵元，给出了MgO电子结构、态密度、介电函数、折射率、消光率以及其它相关光学参量，理论结果与试验结果一致。

利用半导体带间跃迁理论和MgO纳米线电子结构信息，对介电谱图和反射谱图的峰值进行了指认和判别，为试验图谱解析和精确监测和控制MgO材料的生长提供了理论依据。

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