La掺杂对SnO2薄膜光学特性影响的第一性原理及实验研究

　　采用密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法探讨了La 掺杂对SnO2光学特性的影响，并通过实验进行验证。理论分析表明，由于La 的掺入，费米能级上移进入导带，禁带宽度变小，介电函数虚部与吸收谱发生红移。实验结果表明La 掺杂并没有改变晶型结构，晶格常数略微增大，晶粒尺寸减小。薄膜在可见光区的透过率除7% La 掺杂外均超过80%，且随掺杂浓度增加禁带宽度逐渐减小，实验结果与理论计算结果相互验证，为稀土掺杂SnO2的研究提供依据。

　　第一代半导体材料以锗、硅为代表，第二代以GaAs、InP 等化合物为代表，现在人们越来越关注第三代半导体，即宽禁带半导体，如SnO2等。SnO2空间群为P42/mnm，室温下禁带宽度为3.6 eV，激子束缚能高达130meV。正是由于较高的激子束缚能，使得SnO2为基的半导体材料有望成为更有发展潜力的光电材料。SnO2掺杂形成的材料因具有更高的电导率和光学透过率，广泛用于太阳能电池、有机半导体仪器中的有效电极，以及平板显示、传感器等方面，是当前功能材料研究领域和工业发展的热点之一。

　　掺杂元素的不同使得SnO2的性能发生改变，因而，掺杂对SnO2材料光电性能影响的研究倍受关注，而稀土元素具有独特的4f 电子结构，其原子磁矩、自旋轨道耦合较强，形成配合物时的配位数在2 ～3变化，使它显示出的特殊性质逐渐成为SnO2掺杂体系研究的重点。Evandro等用溶胶凝胶法制备了稀土(Er，Eu) 掺杂SnO2薄膜，样品PL 谱的峰值发生了不同的位移。李健等采用真空气相沉积法研究了Nd掺杂SnO2薄膜，掺杂后薄膜透光率下降。Li等通过水热法制备La掺杂SnO2样品，随掺杂浓度增加，样品晶粒尺寸减小并具有更好的分散性。虽然对稀土掺杂SnO2的改性进行了一定研究，但因实验的工艺条件不同，且影响样品微观结构的因素极其复杂，又缺少掺杂元素对电子结构影响的详细研究，从而导致对掺杂改性的机理说法不一，改性效果也大相径庭，而利用计算机对其进行模拟计算，既克服实验因素的影响，又突出了掺杂效应中的主要因素。Ph. Barbarat 等用第一性原理研究了SnO2的电学、光学和化学键性质，分析了化学键与光学性质间的关联性。于峰等基于第一性原理的线性缀加平面波方法研究Al 掺杂SnO2材料，发现随Al 掺杂量的增加带隙逐渐增宽，且态密度整体向高能方向发生移动。

　　目前为止，对于第一性原理的研究大多数都集中在F、Sb、In、Fe上，对稀土掺杂SnO2报道较少，本文结合理论与实验对La 掺杂SnO2薄膜的光学性能进行分析，并为以后研究提供相应的参考依据。

　　4、结论

　　基于理论与实验两方面对La-SnO2薄膜进行研究。理论计算表明La 掺杂SnO2后带隙减小，Fermi能级上移进入导带，晶体呈金属性，同时ε2和吸收谱均向底能方向移动。实验结果表明掺杂后薄膜物相未发生改变，但晶粒尺寸减小，晶格常数略微增大。另外，样品的透光率均达80% 以上除7% La外，Eg减小，且有红移的趋势。由于吸收谱发生红移，可提高SnO2光催化活性，降低催化成本，扩大了应用范围，具有良好的经济效益。