创新训练项目申请书edition2剖析.doc

项目编号：

吉林大学“大学生创新创业训练计划”
创新训练项目
申请书

项目名称 金属掺杂In2O3和ZnO的第一性原理研究
项目负责人 王睿
所在学院、年级、专业 材料科学与工程学院
2011级 材料科学与工程
联系电话 13944870891
电子邮件 744193865@
指导教师姓名1 连建设 职称 教授
指导教师姓名2 职称
填表日期 2012 年 11 月 15 日

吉林大学教务处制表

填表须知

一、本表适用于创新训练项目。本科生个人或团队，在校内导师指导下，自主完成创新性实验方法的设计、设备和材料的准备、实验的实施、数据处理与分析、总结报告撰写等工作。
二、申报书请按顺序逐项填写，实事求是，表达明确严谨。空缺项要填“无”。
三、申请参加大学生创新训练项目团队的人数不得超过5人。
四、申请项目，必须聘请教师作为指导老师，并请指导教师在申请书中的指导教师意见栏中签署意见。
五、填写时可以改变字体大小等，但要确保表格的样式不变；不得随意涂改；A4纸打印，左侧装订。
六、本表由项目负责人报所在学院初审，学院签署初审意见后报送教务处实习与实验教学科（一式3份原件）。
七、“项目编号”由教务处填写。
八、申报过程有不明事宜，请与教务处实习与实验教学科联系，电话85166413。
项目名称
金属掺杂In2O3和ZnO的第一性原理研究
项目起止时间
2012年 11 月 至 年 月
负责人
姓名
年级
学院
专业
教学号
联系电话
E-mail
王睿
2011级
材料科学与工程学院
材料科学与工程
43110609
13944870891
744193865@
项目组成员
黄新词
2011级
材料科学与工程学院
材料科学与工程
43110527
18943622044
462759147@
姚瑞琪
2011级
材料科学与工程学院
材料科学与工程
43110526
13596488400
769956177@
杨浩宇
2011级
材料科学与工程学院
材料科学与工程
43110502
18204318079
249137097@
于志佳
2011级
材料科学与工程学院
材料科学与工程
43110617
18204312079
842490159@
指导教师1
姓名
连建设
职务/职称
教授
所在单位
吉林大学材料科学与工程学院
联系电话
13604430782
E-mail
lianjs@
对本课题相关领域研究情况
本课题组对金属掺杂In2O3和ZnO均有较为完备的研究，如组内对Ca，Y，Mg，Nd等元素掺杂ZnO以及对Y，Sn掺杂In2O3电子特性，光学特性以及磁学特性的研究均在SCI发表过相关论文，有较好的成果。

指导教师2
姓名

职务/职称

所在单位

联系电话

E-mail

对本课题相关领域研究情况

项目性质
□小发明、小创作、小设计
□开放实验室或实习基地中的创新性实验或新实验开发
□基础性研究 □应用性研究
□社会调研
项目选题来源
□自主立题
□教师科研课题的子项目
项目学科类别
材料科学与工程
项目受其他渠道资助情况（填“无”或具体资助来源和经费，包括获奖情况）
无
一、 立项背景和依据（包括研究目的、国内外研究现状分析与评价、研究意义，应附主要参考文献及出处）
立项背景：
在当今世界飞速发展的背景下，寻找高效率、廉价、环保材料已成为国内外学者们的研究的热点。近年来，在半导体氧化物中通过掺杂改变其带隙宽度从而改变其导电性能和光学性能的这一方面研究日益受到科学家们的重视。In2O3和ZnO是典型的宽带隙氧化物半导体材料，具有良好的电学和光学性能，价格低廉，无毒环保并且具有稳定的化学性质等特点。
薄膜太阳能电池作为一种价格低廉，具有广阔发展前景的一种能源器件，更加值得研究。但是由于中间半导体层几乎没有横向导电性能，因此必须使用TCO（Transparent Conductive Oxide）玻璃有效收集电池的电流，同时TCO薄膜具有高透和减反射的功能让大部分光进入吸收层。但是，薄膜太阳能电池的转换率过低，所以作为TCO薄膜的主要材料，如何提高宽隙半导体ZnO和In2O3的带隙，减少可见光的吸收，从而增加转换率，成为当今世界的研究热点。
国内外研究现状分析与评价：
1972年Fujishima[1]对二氧化钛光催化性能的研究引起了科学界的广泛关注，使光电信息材料成为人们的研究热点。上世纪90年代初[2]，利用p型掺杂氮化镓材料研制出的半导体元件标志着第三代半导体材料的兴起。[3]研究发现，掺杂可以通过调整氧化物的带隙宽度从而改变半导体的光电性能。目前，国内外对于In2O3和ZnO的光学性质及磁学性质的研究较为完善，理论研究较多，能够充分地利用出这两种半导体氧化物优越的性能开发出更有价值的应用。
而对于掺杂ZnO国内外已有了很多研究，如[4,5,6]Al掺杂ZnO薄膜对甲醇具有良好的气敏性能，在较高的温度下有短的反应时间。[7,8,9]Cu掺杂ZnO的纳米颗粒可用于气体催化，催化反应在可见光条件下可以发生，催化产物为H2，和S。[10,11]Ni掺杂ZnO纳米粒子结构制备的气敏元件在甲醛测试方面有良好的气敏性能，能够检测浓度为100PPm的甲醛气体。[12,13]Mg掺杂ZnO纳米晶体对亚甲基蓝呈现出良好的催化作用。
总体来说，针对[14-18]金属掺杂ZnO的研究国内外大多围绕着薄膜和颗粒展开，对于它的光学特性研究较少，这类材料往往拥有独特的光电性能和磁学性能，因此具有潜在的应用前景。
而对于[19,20,21,22]In2O3来说，金属掺杂In2O3在光电产业中有着非常广泛的应用。在光电产业中有着非常广泛的应用。而Sn掺杂In2O3薄膜的应用领域最广、工业产量最大，Nb掺杂In2O3薄膜则是一种近年来新发现的TCO薄膜。而对Y掺杂In2O3的研究国内外很少。
研究目的及意义：
基于以上In2O3和ZnO掺杂领域的研究现状，本实验项目以金属元素和过渡金属元素和稀土元素作为掺杂剂，利用第一性原理等手段，从理论上对掺杂对In2O3和ZnO的带隙改变和光电性能的改变进行研究。
通过对这一问题的研究，从理论上归纳和总结出各种掺杂对In2O3和ZnO性能的影响。对二者的光学和电学以及磁学方面的性能进行更深层次的探讨，发掘In2O3和ZnO更高的利用价值和利用方式，研发高效率、高性能、高科技的环保廉价型新材料（主要是TCO薄膜方面）。
主要参考文献：
[1]Fujishima.A.,Honda,K.,Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode,Nature 1972,238:37-38
[2]于晓慧 金属掺杂TiO2和ZnO的第一性原理研究 江苏大学2010年12月
[3]洪瑞金，贺洪波，邵建达，范正修 宽禁带氧化锌半导体薄膜的研究进展 中国科学院上海光学精密机械研究所，上海201800,2005年2月
[4]侯清玉,赵春旺,李继军，王钢 Al高掺杂浓度对 ZnO 导电性能影响的第一性原理研究 物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 60，No. 4 (2011) 047104
[5]张富春,邓周虎,阎军锋,允江妮,张志勇 Ga Al In 掺杂 ZnO 电子结构的第一性原理计算 电子元件与材料 2005年8月 第八期
[6]宋立媛，唐利斌，姬荣斌，陈雪梅，刘新近，庄继胜，王 茺，杨 宇 溶胶-凝胶法制备 Al3＋掺杂 ZnO 薄膜的结构和光学性能
[7]吴兆丰 Co、Cr、Cu、Mn 等过渡金属掺杂ZnO薄膜的合成与性能研究 苏州大学
[8]许　露,梁红伟,刘远达,李春野,冯秋菊,柳　阳,李国兴,杜国同 Cu掺杂ZnO的光致发光光谱 材料导报A:综述篇 2011年2月(上)第25卷第2期
[9]熊志华 ZnO掺杂改性的第一性原理研究 南昌大学
[10]张富春 张威虎 董军堂 张志勇 Ni掺杂ZnO纳米线的电子结构与磁性 物理化学学报 2011 27（10），2326-2332
[11]肖振林,史力斌 利用第一性原理研究 Ni 掺杂 ZnO 铁磁性起源 物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 60，No. 2 (2011) 027502
[12]靳锡联,娄世云,孔德国,李蕴才,杜祖亮 Mg掺杂ZnO所致的禁带宽度增大现象研究 物理学报 第55卷 第9期 2006年9月 1000-3290/2006/55(09)/4809-07
[13]张彭义.余　刚.蒋展鹏 半导体光催化剂及其改性技术进展 环境科学进展 第5卷第3 期 1997年6月
[14]J.H.Zheng,J.L.Song,Z.Zhao,Q.Jiang,J.S.Lian Optional and magnetic properties of Nd-doped ZnO nanoparticles
[15]张立德，牟季美.纳米材料和纳米结构四.北京:科学出版社，2001
[16]BAI Li-Na, LIAN Jian-She, JIANG Qing Electronic Properties of Wurtzite Structure Zn1-xMgxO Alloys CHIN. PHYS. LETT. Vol. 28, No. 11 (2011) 1171011
[17]BAI Li-Na, SUN Hai-Ming, LIAN Jian-She, JIANG Qing Tunable UV Absorption and Mobility of Yttrium-Doped ZnO by First-Principles CHIN. PHYS. LETT. Vol. 29, No. 11 (2012) 117101
[18]唐　鑫,吕海峰,马春雨,赵纪军,张庆瑜 Cd掺杂纤锌矿ZnO电子结构的第一性原理研究 物理学报 第57卷第2期2008年2月 1000-3290/2008/57(02)/1066-07
[19]马 勇；,孔春阳 ITO薄膜的光学和电学性质及其应用 重庆大学报(自然科学版),2002年08期
[20]陈 猛,白雪冬,裴志亮,孙 超, 宫 骏,黄荣芳,闻立时 In2O3:Sn（ITO）薄膜的光学特性研究 金属学报 1999年09期
[21]王建恩,王运涛.王 军.张兵临,何金田,张艳兰 三氧化二锢基透明导电薄膜光、电特性的研究 郑州大学
[22]韦 军,周菊英,李政林,林 艳,古家虹 三氧化二铟的制备及其光催化性能 电子元件与材料 第28卷 第4期 2009.4

二、项目研究内容（项目主要研究内容；拟解决的关键问题、重点和难点）
1.研究内容
In2O3 的掺杂:
①　 在In2O3掺入金属Sn，改变掺杂量即改变掺杂比例，从而改变其带隙的宽度和光学性能。
②　 在In2O3掺入金属Y，这是一种缺陷掺杂，Y原子没有取代晶格上的原子，而是进入了晶格间隙中。这一方面目前还没有人深入研究。也是通过改变掺杂的比例改变其带隙的宽度，从而改变其光学性能。
ZnO的掺杂：
在ZnO中掺入金属Mo，改变掺杂量即改变掺杂比例，从而改变其带隙的宽度和光学性能以及磁学性能。
2.关键问题、重点和难点：
①　 在氧化物半导体中掺杂不同比例的金属，总结出能带变化的规律
②　 利用第一性原理计算出理论上掺杂对半导体氧化物带隙的改变和其几何电子结构和光学性能
③　 利用Material Studio 5.5的CASTEP组件对晶体几何结构进行模拟和计算，从理论上观测掺杂后的氧化物半导体的能带结构、态密度和分波态密度、介电函数、吸收系数和能量损失谱及相关参数等进行计算
④　 掺杂导致晶格畸变，对缺陷掺杂进行理论上的研究

三、 项目特色及创新点
通过理论上的计算，利用第一性原理和Material Studio 5.5的CASTEP组件，推算和模拟出掺杂不同金属盒不同比例的金属对三氧化二铟和氧化锌的能带结构和光学性质的影响。改变其带隙的宽度，使其光谱蓝移（blue shift），减少三氧化二铟和氧化锌在可见光范围内的吸收，提高其透明度和光学性能，制备高透明的半导体材料。从而研发出更加稳定、高效的光学半导体材料，制备性能更加优越的太阳能电池薄膜、平面显示器等光电子元件，研发出更精密的光学元件。
四、申请理由（1、团队条件——自身/团队具备的知识、素质、能力、特长、兴趣；2、前期准备基础等）
1.团队条件：
我们的团队共有5名成员，均来自2011级材料科学与工程专业，是生活中的好同学，研究中的好伙伴。我们5人本着对科技创新的浓厚兴趣，和探索新领域的热情参加了本次创新实验计划。
项目负责人
王睿，男，材料科学与工程学院431106班本科生，材料科学与工程专业。本课题组组长，从小对动手操作有浓厚兴趣，对科学研究十分热爱，喜爱钻研，敢于挑战难题。高中时曾获两年全国高中数学联赛二等奖，富有逻辑思维，为人认真严谨，思维缜密，踏实稳重，大一基础知识优秀，积极参加各类社会实践活动。有出国打算，正在备考GRE，对外文文献能达到一定程度的理解。在吉林大学电视台担任资讯吉大栏目组组长，学院担任团委新闻部部副部，具有良好的组织能力和团队精神。曾获吉林大学新生奖学金，校一等奖学金，单项奖学金，团结普瑞玛英才班奖学金。
小组成员：
杨浩宇，男，材料科学与工程学院431105班本科生，材料科学与工程专业。学习能力，理解能力强，能够迅速了解并掌握新知识，并将新知识应用到实践中。能阅读一定的国外文献。在学院担任社联管理部副部，展雅台球社社长，担任学生工作，注重团队合作，能够妥善地处理与其他人之间的关系。曾获吉林大学校一等奖学金，团结普瑞玛英才班奖学金。
于志佳，男，材料科学与工程学院431106班本科生，材料科学与工程专业。遇到问题都会有奇特的想法，想象力丰富，做事认真细致，从不盲目执行任务，工图成绩优异，有良好的空间想象能力，渴望了解前沿学术知识，领略高端技术的新老交替。在学院任阳光爱心学校文案部副部，曾参与学生社会实践的评分工作,熟悉报纸与海报排版软件的基本操作，获吉林大学校三等奖学金。
姚瑞琪，女，材料科学与工程学院431105班本科生，材料科学与工程专业。组织能力强，活动能力强，积极参加各项活动，观察力强，具有一定的创新思维，富有主持经验，与人沟通能力强，善于与人交往，具有一定感染力，具有团队意识，学习成绩优异，工作能力强，现任院学生会秘书部副部，曾获吉林大学校三等奖学金，团结普瑞玛英才班奖学金。
黄新词，女，材料科学与工程学院431105班本科生，材料科学与工程专业。喜欢思考，爱问问题，爱研究难题，不嫌麻烦，有耐性。乐于学习新知识，接受理解能力较强，爱积累各方面的知识，留意平时生活中的各种知识。英语能力强，正在备考GRE。为人和气友善，擅长与他人沟通交流，合作互助，喜欢团体学习和工作。动手能力强，乐于实践。实验能力强，擅长处理实验数据，并掌握一定技巧。获吉林大学校三等奖学金。
2、 前期准备基础：
我们在前期研读了关于金属掺杂ZnO和In2O3光学性质第一性原理的研究的相关论文，对金属掺杂ZnO和In2O3的性质有了简单的了解以及研究方向上有了确切的目标并上网查询了有关TCO薄膜的资料，并在指导教师的帮助下了解了TCO材料的相关知识，进而自主选择Sn掺杂In2O3、Y掺杂In2O3以及Mo掺杂ZnO的第一性原理研究作为研究课题，并且学习了如Material studio等相关软件为日后的研究打下坚实的基础。
五、项目实施方案（研究思路和方法，实施计划、技术路线、人员分工等）

六、项目进度安排（文献查阅、社会调查、方案设计、开题报告、实验研究、数据处理与分析、研制开发、填写结题表、撰写论文和研究报告、结题答辩和成果推广等时间安排）

七、项目研究所需资源（实验室、仪器设备、实验材料、资料等）

八、项目经费预算与用途（购置实验消耗材料、低值品、资料、加工测试、打字复印、调研、市内公交、论文发表、专利申请等经费开支）

九、项目完成预期成果（成果形式：研究论文、专利、设计、产品、软件、研究或调研报告等）

十、项目诚信承诺

本项目负责人和全体成员郑重承诺：该项目研究不抄袭他人成果，不弄虚作假，按项目研究进度保质保量完成各项研究任务。

项目负责人签名： 年 月 日

项目组成员签名：

年 月 日
十一、指导教师意见（从项目科学性、前沿性、可行性、研究性、可操作性和成效性进行评价，是否同意立项）

签 名：
年 月 日
十二、学院评审意见（学术价值、预期效果、研究方案可行性、是否同意立项）

工作组组长签名（公章）：
年 月 日
十三、校专家组评审意见

专家组组长签名：
年 月 日
十四、学校意见

领导小组组长签名（公章）：

年 月 日