刘建军　章志敏

（淮北煤炭师范学院物理与电子信息学院，安徽 淮北 235000）

摘 要： 采用第一性原理的平面波赝势方法和广义梯度近似，研究了闪锌矿ZnS掺杂Cu前后的 电子结构和光学性质。通过对掺杂前后电子能带结构,态密度以及分态密度的计算和比较,发 现引入杂质Cu后，在价带顶Cu3d态与S3p态发生p-d排斥，造成价带顶向高能端移动；在导 带 底Zn4s与Cu3p相互重叠，发生杂化，引起导带向低能端偏移，两方面的作用使得ZnS的带隙 变小。掺Cu后ZnS的光吸收向低能端扩展，并且在可见光区生成新的吸收峰。

关键词：密度泛函理论；电子结构；Cu掺杂ZnS

First-principles Calculation of Cu-doped ZnS

LIU Jian-jun，ZHANG Zhi-min

(Department of Physics and Electronic Information, Huaibei Coal Industry Teache rs college, Huaibei Anhui 235000, China)

Abstract: The electronic structure and optical properties of pure and Cu-doped s phalerite ZnS were studied by using first-principles plane wave pseudopotentia l

method with the generalized gradient approximation. Analysis of the band structu re, state density and partial state density of Cu doped ZnS showed that on top o f valence band, p-d rejection effect between Cu3d state and S3p state occurred ,

which makes top of valence band move to higher energy side; on bottom of conduct ion band, Zn4S and Cu3p states overlap each other，which causes hybrid. It makes

conduction band excursion to lower energy side. Both of the effects result in t he band gap narrowing. The optical absorption extends to lower energy side and g enerates a new peak of optical absorption in the visible light region after Cu d oped ZnS.

Key words:density functional theory; electronic structure; C u-doped ZnS

ZnS 是Ⅱ-Ⅵ族化合物中重要的宽禁带半导体材料， 其室温下的禁带宽度 达3 .68 eV， 具有良好的热红外透明性、荧光效应和电致发光功能等光物理特性， 被广泛应用于短波发光器件，传感器与光催化等领域［1-2］。近几年来，人们在大 量实验研究的基础上，发现对ZnS进行合适的掺杂可以改变它的能带结构，从而使ZnS材料的 光电性能及结构性能得到改善，在光电学领域具有巨大的应用潜力。目前,尽管实验上对ZnS 掺杂制备、性能及结构等方面进行了大量的研究,但是对其详细的电子结构、光学性质仍需 进一步的研究［3-6］。

本文用平面波赝势(Plane Wave Pseudopotential,PWP)方法计算了闪锌矿结构的ZnS晶体掺 入杂质Cu的电子结构和光学性质，并探讨了掺杂微粒中杂质离子与基质之间的相互作用，研 究了ZnS晶体在掺杂前后带隙的变化及光吸收系数的改变，对更好地开展ZnS晶体掺杂的实验 及应用研究具有重要的指导意义。……