论文总字数：18160字

摘 要

在人类社会的发展和进步过程中，材料是社会发展的基础，人类的很多生产行为和经济活动均是以材料作为基础进行的。硫化物材料在自然界储备量丰富，制备成本低，且具有优良的光学、磁学和电学等方面的性质，是一种利用价值很高且被广泛应用的半导体材料，主要应用于光催化、太阳能电池等。一方面，当其作为光催化材料使用时，能带间隙为1.2～2.0eV，是一种窄禁带半导体，较窄的能带间隙会使形成的电子-空穴对复合，致使吸收的光能以光、热的形式散发出去，为了提高其光催化性能，使用掺杂的方法提高其性能；另一方面，硫化亚铜作为一种半导体材料，其导电能力较差，也可以通过掺杂的方式解决。

综上，课题使用,Materials Studio软件建立Cu₂S晶体并掺杂，结果表明，掺杂前Cu₂S的能带间隙为0.02eV，掺杂后的能带间隙为0.398eV，能带间隙提高，电子-空穴对不容易复合，提高了其光催化性能。另一方面，通过对介电常数图的对比分析，掺杂后的材料更倾向于表现为金属行为，即导电能力提高。

以上计算结果表明掺杂能够有效提高Cu₂S的性质，使Cu₂S在光催化性能以及导电领域的应用更为广泛。

关键词：硫化亚铜 光学性质 电学性质

Theoretical calculation of optical and electrical properties of doped Cu₂S

Abstract

In the development and progress of human society, materials are the foundation of social development, and many human production and economic activities are carried out on the basis of materials. Sulfide materials are rich in reserves in nature, low in preparation cost, and have excellent optical, magnetic and electrical properties. It is a semiconductor material with high utilization value and widely used, mainly used in photocatalysis and solar energy. Batteries, etc. On the one hand, when it is used as a photocatalytic material, the band gap is 1.2 ~ 2.0eV, which is a narrow band gap semiconductor. The narrow band gap will recombine the formed electron-hole pairs, resulting in absorbed light It can be emitted in the form of light and heat. In order to improve its photocatalytic performance, doping is used to improve its performance; on the other hand, copper sulfide as a semiconductor material has poor conductivity and can also be doped Solution.

In summary, the subject uses Materials Studio software to establish Cu₂S crystals and doping. The results show that the band gap of Cu₂S before doping is 0.02eV and the band gap after doping is 0.398eV. The band gap is increased and the electron-empty The hole pair is not easy to recombine, which improves its photocatalytic performance. On the other hand, through the comparative analysis of the dielectric constant diagram, the doped materials are more likely to exhibit metallic behavior, that is, the conductivity is improved.

The above calculation results show that doping can effectively improve the properties of Cu₂S, making Cu₂S more widely used in the field of photocatalytic performance and electrical conductivity.

Key Words: cuprous sulfide; optical properties; electrical proper

目 录

摘要 II

Abstract III

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2半导体材料概述 2

1.3.1 Cu₂S的基本结构与性质 3

1.3.2 Cu₂S材料的性质 5

1.3.3 硫化亚铜的制备 6

1.3.4 硫化亚铜的研究现状与应用 6

1.3.5 硫化亚铜的掺杂 8

1.4 第一性原理基础理论计算方法 8

1.4.1 第一性原理计算方法简介 8

1.4.2 密度泛函理论（DFT） 9

1.4.3 物理量概述 10

1.4.4 Materials Studio软件 10

1.5 课题的研究意义和计算内容 10

第二章 理论基础与计算方法 12

2.1 能带理论 12

2.2 密度泛函理论 13

2.2.1 H.K引理 14

2.2.2 H.K定理 14

2.2.3 Kohn-Sham的基本方案 15

2.2.4 局域密度近似 17

第三章 计算结果与分析 19

3.1 引言 19

3.2 未掺杂硫化亚铜的计算结果分析 20

3.1.1 能带结构的结果分析 20

3.2.2 态密度分析 21

3.1.3 介电常数分析 22

3.1.4 折射率分析 23

3.3 掺杂Cu₂S的计算结果分析 23

3.2.1 能带结构分析 24

3.2.2 态密度分析 24

3.2.3 介电常数分析 26

3.2.4 折射率分析 26

第四章 结论与展望 28

4.1 结论 28

4.2 展望 28

参考文献 29

致谢 31

第一章 绪论

1.1引言

随着人类社会逐渐发展，材料的种类和使用也在逐渐发生变化。人类与材料的关系十分紧密。一方面来说，人类无论是生活还是生产都离不开各种各样的材料，材料能够推动社会经济的发展；另一方面来看，随着现代各种污染加剧和维持经济的可持续发展，人们开始注重环境保护，寻求更为环保、功能性更强的材料。

从古到今，各个时代都具有代表该时代特性的材料，进入工业时代后，人们对于材料的研究重心从普通材料转向功能材料、新型材料，从肉眼能观察到的宏观材料到用显微仪器观察的微观材料^[1]。今天我们进入了一个高速发展的信息化的时代，这与微电子技术的发展相关，对航空航天、通讯技术等领域的发展起着重要的推动作用，从而对半导体材料的性能提出了更严苛的要求。在20世纪，人们发现了半导体硅，随后发明了半导体晶体管和硅集成电路，工业革命到来；再之后，人们逐渐发现了石英光导纤维材料，从而促进了光纤通信技术的迅猛发展，并渐渐形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。人们对半导体材料的研究没有停止，在经历了一段时间以后，半导体被广泛地应用于家用器件、通讯行业、工业、航空航天等行业，成为现代社会快速发展和优质发展的重要基础。

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