氧化鋅是一種寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體，具有電子漂移飽和度高、介電常數(shù)小、導(dǎo)電性能好等特點(diǎn)。近年來，由于稀土元素具有獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，在實(shí)驗(yàn)上和理論上對稀土摻雜ZnO的光學(xué)性質(zhì)的研究引起人們的廣泛興趣。由于氧化鋅是寬禁帶半導(dǎo)體，成本低，制備工藝簡單。因此，稀土元素?fù)诫s氧化鋅在制備光電器件方面具有廣闊的應(yīng)用前景。在理論上，Eu摻雜ZnO具有優(yōu)質(zhì)的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。在實(shí)驗(yàn)上，Eu摻雜ZnO已經(jīng)被用于平板電視等顯示設(shè)備。
通過理論研究發(fā)現(xiàn)，不同濃度的稀土元素?fù)诫s氧化鋅可以使得氧化鋅光電性能產(chǎn)生相當(dāng)顯著的變化。然而，理論上對不同濃度Nd摻雜對氧化鋅的光學(xué)性質(zhì)的影響研究甚少。在本文中，基于密度泛函理論通過第一性原理計(jì)算主要研究了稀土元素Nd摻雜ZnO的光學(xué)性質(zhì)的研究。首先比較了其中一種摻雜濃度和純凈ZnO體系的介電函數(shù)、吸收系數(shù)和反射系數(shù)；接著分析了不同摻雜濃度體系的介電函數(shù)；最后，計(jì)算了不同摻雜濃度體系的吸收系數(shù)。
所有的計(jì)算工作都是基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算程序即在Vienna Abinit Simulation Package（VASP）代碼完成的。采用的交換關(guān)聯(lián)勢為廣義梯度近似（GGA）。計(jì)算參數(shù)設(shè)置情況：采用網(wǎng)格為5×5×3的Monkorst-park特殊k點(diǎn)對整個(gè)布里淵區(qū)求和，平面波截?cái)嗄転?50eV。為了得到可靠的結(jié)果，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化基礎(chǔ)上進(jìn)行靜態(tài)計(jì)算。
晶格常數(shù)a=b=0.3249 nm，c=0.5206 nm，其中c/a為1.602。沿c軸方向的Zn-O鍵長為0.1992 nm，其他方向?yàn)?.1973 nm。在本文中，我們構(gòu)建的純凈ZnO的模型為：pure-ZnO晶體的超晶胞由36個(gè)原子組成，是在ZnO原胞基矢方向擴(kuò)展兩個(gè)單位得到的3×3×1的超晶胞模型（如圖1a所示）。O、Zn和Nd的價(jià)電子分別選取為O2s22p4、Zn3d104s2、和Nd5s25p65d16s2。不同濃度的稀土元素（Nd）摻雜模型如圖1所示。其中，（a）是pure-ZnO為3×3×1超晶胞；（b）是Nd-36為3×3×1超晶胞；（c）是Nd-72為3×3×2超晶胞；（d）是Nd-108為3×3×3超晶胞。
