陳建華,曾小欽,陳 曄,張輝鵬
(1. 廣西大學 資源與冶金學院,南寧 530004;2. 廣西大學 化學化工學院,南寧 530004)
閃鋅礦屬等軸晶系,硫離子成緊密堆積,鋅離子位于半數(shù)四面體空隙中,配位數(shù)為 4。它的化學組分為 67.10%Zn和 32.90%S。最常見的類質(zhì)同象混入物為鐵,其次為錳、鎘、銦、鎵、汞、鍺等。此外,閃鋅礦中還含有銅、錫、銻、鉍等雜質(zhì)。在硫化礦浮選實踐中,人們發(fā)現(xiàn)不同礦床或同一礦床不同區(qū)段的同一種礦物,其浮選行為存在很大差異。對于閃鋅礦,人們也發(fā)現(xiàn)不同礦床或同一礦床不同礦段的閃鋅礦由于雜質(zhì)不同而具有不同的顏色,從淺綠色、棕褐色和深褐色直到鋼灰色。各種顏色的閃鋅礦可浮性差別比較大,含鎘的閃鋅礦可浮選性比較好,而含鐵的閃鋅礦可浮性較差。硫化礦物浮選行為與礦物的半導體性質(zhì)密切相關[1]。研究人員對黃鐵礦、白鐵礦、硫化鋅、方鉛礦等進行了晶格缺陷的計算,研究結果:表明晶格缺陷導致硫化礦物能帶結構、電子態(tài)密度以及原子電荷的變化[2?12]。硫化礦物的半導體性質(zhì)與礦物晶格缺陷及缺陷濃度有密切關系,不同產(chǎn)地的硫化礦物由于成礦條件和環(huán)境的不同,其礦物晶胞參數(shù)和缺陷也不同,從而導致不同產(chǎn)地同一種礦物浮選行為的差異。
在浮選實踐中,經(jīng)常碰到的閃鋅礦缺陷主要有兩大類:一是化學計量系數(shù)的偏離,即鋅硫比偏離1∶1,這主要是由空位缺陷造成的;二是鐵和鎘雜質(zhì),即閃鋅礦晶格中含鐵或者鎘雜質(zhì)。天然閃鋅礦常含有鐵雜質(zhì),其含量(質(zhì)量分數(shù))從0.4%到22%不等,含鐵超過6.0%的閃鋅礦稱為鐵閃鋅礦[13]。鐵雜質(zhì)對閃鋅礦的半導體性質(zhì)影響較大,含鐵閃鋅礦是n型半導體,鐵含量越高,其導電性越強[14?15],鐵雜質(zhì)使閃鋅礦不利于或者難于浮選。閃鋅礦中也常含有鎘雜質(zhì),當含鎘量達到 5%時,稱為鎘閃鋅礦,鎘雜質(zhì)能夠提高閃鋅礦的可浮性。本研究根據(jù)礦物晶體學和半導體缺陷理論構建含有硫空位、鋅空位、鐵雜質(zhì)和鎘雜質(zhì)的閃鋅礦模型,應用基于密度泛函理論的第一性原理,采用GGA-PBE交換關聯(lián)勢,計算和研究這兩種空位和兩種雜質(zhì)對閃鋅礦的幾何結構、能帶、態(tài)密度、差分電荷密度等電子結構的影響。研究結果對于進一步查清楚晶格缺陷對閃鋅礦浮選行為影響的本質(zhì)具有重要的學術意義和應用價值。
閃鋅礦的空間群為F - 43m,每個晶胞中包含 4個鋅原子和4個硫原子,在對角線的1/4處為硫原子,8個角和6個面心為鋅原子。本研究主要考慮硫空位、鋅空位、鐵雜質(zhì)和鎘雜質(zhì)4種常見的閃鋅礦缺陷,并考慮實際礦物中的缺陷含量,構建出不同缺陷含量的晶胞模型。對于硫空位、鋅空位和鎘雜質(zhì),分別建立2×1×1(Zn8S7,Zn7S8,Zn7CdS8)、2×2×1(Zn16S15,Zn15S16,Zn15CdS16)和 2×2×2(Zn32S31,Zn31S32,Zn31CdS32)的超晶胞模型(見圖 1),缺陷的摩爾分數(shù)分別為6.25%、3.13%和1.56%,n(Zn)∶n(S)在0.8~1.1之間;對于鐵雜質(zhì),分別建立 1×1×1(Zn3FeS4)、2×1×1(Zn7FeS8)和 2×2×1(Zn15FeS16)的超晶胞模型(見圖1),其中鐵雜質(zhì)的摩爾分數(shù)分別為12.50%、6.25% 和3.13%。
圖1 4種不同缺陷超晶胞模型代表圖Fig.1 Four kinds of super-cell structures of ZnS with defect: (a) 1×1×1 super-cell; (b) 2×1×1 super-cell; (c) 2×2×1 super-cell;(d)2×2×2 super-cell(X= vacancy or impurity atom)
本研究所有的計算都采用 CASTEP[16]軟件來完成。在對模型進行幾何優(yōu)化和性質(zhì)計算時,采用BFGS優(yōu)化算法,交換關聯(lián)函數(shù)采用廣義梯度近似(GGA)[17]下的PBE梯度修正函數(shù),采用超軟贗勢[18]描述價電子和離子間的相互作用。平面波截斷能經(jīng)過收斂測試后取330 eV,K點設置使用Monkhorst-Pack方案,鐵雜質(zhì)模型1×1×1、2×1×1和2×2×1的超晶胞分別采用4×4×4、2×4×4和2×2×4的K點網(wǎng)絡,空位和鎘雜質(zhì)模型2×1×1、2×2×1和2×2×2的超晶胞分別采用2×4×4、2×2×4和2×2×2的K點網(wǎng)絡,保證了體系能量和構型在準完備平面波基組水平上的收斂。收斂標準設置為:原子位移不大于0.000 2 nm,原子間作用力不大于0.05 eV/nm,原子間的內(nèi)應力不大于0.1 GPa,體系總能量的變化不大于20 μeV/atom,所有的計算均在倒易空間進行。計算含鐵雜質(zhì)的超晶胞時還考慮了鐵的電子自旋作用,參與計算的價態(tài)電子為 S3s23p4、Zn3d104s2、Fe3d64s2和 Cd4d105s2。
首先,我們對ZnS原胞進行幾何優(yōu)化,然后,再對它的電子性質(zhì)進行計算。通過計算得到ZnS晶格常數(shù)為0.542 7 nm,與試驗值0.541 4 nm[19]接近,誤差僅為0.24%。計算得到的ZnS帶隙的寬度為2.18 eV,小于試驗值3.72 eV[20]。這個差異是GGA或LDA近似下的 DFT對電子與電子之間的交換關聯(lián)作用處理不足引起的[21],不影響對能帶和電子結構的分析。
從圖2可以看出,理想ZnS的價帶極大值(VBM)和導帶極小值(CBM)都是位于高對稱G點(Γ點) ,是一個直接帶隙p型半導體。價帶延伸至?13.57 eV,整個價帶可以分為上、下兩個部分,相對于價帶,導帶的變化則要平緩些。由圖2(b)可見,位于?11.7 eV附近的下價帶主要是由硫的3s軌道貢獻,鋅的4s軌道也貢獻了一部分;在上價帶中位于?5.9 eV的峰值主要是鋅的3d軌道的貢獻,其次是硫的3p軌道的貢獻;價帶的其他部分則主要是由硫的3p軌道和鋅的4s軌道共同組成。導帶主要由鋅的4s軌道和硫的3p軌道共同組成。Mulliken布居分析表明:形成ZnS晶體時,主要由硫的3p軌道和鋅的3d軌道來貢獻,Zn—S鍵表現(xiàn)為共價鍵的性質(zhì),硫和鋅原子所帶電荷分別為?0.48e和 0.48e。
2.2.1 缺陷對閃鋅礦幾何結構的影響
圖2 ZnS的能帶結構和分態(tài)密度圖Fig.2 Band structure (a) and partial density of states (b) of ZnS
對硫空位、鋅空位、鐵雜質(zhì)和鎘雜質(zhì)的摩爾分數(shù)為3.13%的閃鋅礦超晶胞進行結構優(yōu)化。結果表明:由于硫空位、鋅空位的存在,導致閃鋅礦的晶胞參數(shù)變小,與理想閃鋅礦的晶胞參數(shù)相比,含硫空位、鋅空位的閃鋅礦的晶胞參數(shù)分別減小了 2.4%和 1.3%。另外由于硫空位的存在,導致閃鋅礦中空位周圍的原子向空位中心偏移,特別是與硫空位相鄰的4個鋅原子偏移較明顯;但是鋅空位對閃鋅礦超晶胞的幾何結構沒有明顯影響,原子僅在空位周圍馳豫。這是由于硫空位比鋅空位體積大,導致硫空位周圍的原子更容易變形。
對于雜質(zhì)缺陷,優(yōu)化結果表明含鐵雜質(zhì)閃鋅礦的晶胞參數(shù)基本不變,而鎘雜質(zhì)導致閃鋅礦晶胞參數(shù)變大。這是由于鐵原子半徑為0.124 nm,與鋅原子半徑0.132 nm相近,因此含鐵雜質(zhì)閃鋅礦晶胞參數(shù)略有減小。而鎘原子半徑為0.148 nm,大于鋅原子的半徑,從而導致晶胞參數(shù)變大。
2.2.2 缺陷對閃鋅礦能帶結構的影響
圖3所示分別為含有摩爾分數(shù)為3.13%的硫空位、鋅空位、鐵雜質(zhì)和鎘雜質(zhì)的閃鋅礦的能帶結構。從圖3可以看出:硫空位、鋅空位和鎘雜質(zhì)不改變閃鋅礦半導體類型,均為直接帶隙p型半導體,但是含硫空位閃鋅礦的價帶最大值和導帶最小值位于F點,而不是G點;鐵雜質(zhì)導致閃鋅礦從p型半導體轉(zhuǎn)變成n型半導體。從圖3還可看出,在這4種缺陷中,鎘雜質(zhì)和硫空位降低了閃鋅礦的帶隙;而鐵雜質(zhì)和鋅空位卻增大了閃鋅礦的帶隙,鐵雜質(zhì)使費米能級向高能方向偏移,鋅空位使費米能級向低能方向偏移,并在價帶出現(xiàn)簡并態(tài)。在計算中我們還考察了缺陷濃度對閃鋅礦能帶的影響,結果表明隨著硫空位、鎘雜質(zhì)缺陷濃度的增大,閃鋅礦的帶隙都變窄,但硫空位和鋅空位濃度對閃鋅礦帶隙變窄影響不顯著。鐵雜質(zhì)在帶隙中形成一個雜質(zhì)能級,而鎘雜質(zhì)卻在價帶中的?7.5 eV處形成一個能級。
2.2.3 缺陷對閃鋅礦態(tài)密度的影響
圖4所示為含有摩爾分數(shù)為3.13%的硫空位、鋅空位、鐵雜質(zhì)以及鎘雜質(zhì)的閃鋅礦的總態(tài)密度圖。從圖4可見,硫空位導致位于?12.5 eV處的態(tài)密度峰值下降,這主要是由于閃鋅礦超晶胞缺少一個硫原子,從而使3s軌道的貢獻降低。而鋅空位主要是影響位于?6.0 eV處的態(tài)密度峰值,這是因為晶胞中缺少一個鋅原子,使鋅的3d軌道在此處的貢獻下降;另外,由于能帶中?12.0 eV處的態(tài)密度包含了鋅的4s軌道的貢獻,因此鋅空位也導致此處的態(tài)密度峰值下降。鐵雜質(zhì)在禁帶中形成的雜質(zhì)能級主要是鐵的 3d軌道的貢獻,并且3d軌道在晶體場的作用下產(chǎn)生分裂,形成t2g和eg兩個新的雜質(zhì)能級;由于體系中有一個鋅原子被鐵原子取代,導致主要由鋅的3d軌道組成位于?7.2 eV處的態(tài)密度峰值下降。而鎘雜質(zhì)在價帶?7.5 eV處形成的能級由鎘的4d軌道來貢獻。
表1和2所列為含有摩爾分數(shù)為3.13%的硫空位、鋅空位、鐵雜質(zhì)和鎘雜質(zhì)的閃鋅礦中,與空位和雜質(zhì)原子相鄰的原子和鍵的Mulliken布居數(shù)。從表1和2可見:由于硫空位的影響,導致與硫空位相鄰的 4個鋅原子的電荷為0.31e,明顯低于0.48e,這主要是空位處缺少硫原子,減小了對鋅原子的吸引作用,從而使鋅原子失去的電子數(shù)減少。另外與硫空位相鄰的Zn—S鍵的布居數(shù)減小,共價性減弱,鍵長變長。鋅空位的存在導致與鋅空位相鄰的 4個硫原子的電荷下降為?0.41e,這主要是缺少鋅原子來貢獻電子,導致硫原子所得電子數(shù)減少。另外,鋅空位導致與其相鄰的Zn—S鍵布居數(shù)增大,共價性增強,鍵長變短。由于鐵原子的電負性比鋅原子的強,不容易失去電子,導致與鐵原子相連的硫原子的電荷下降為?0.40e。從表1和2可見:鐵原子s和p軌道失去電子,而d軌道則得到電子,鐵原子的Mulliken電荷為0.02e,且形成的Fe—S鍵布居數(shù)比相鄰Zn—S鍵布居數(shù)大,共價性增強。這主要是鐵原子的電負性比鋅原子的大,導致電子云向鐵原子偏移。由于鎘與鋅是同族元素,所以表現(xiàn)出與鋅相似的Mulliken布居特征,形成的Cd—S鍵布居數(shù)下降,共價性減弱,鍵長變長;而與鎘原子相鄰的Zn—S鍵的布居數(shù)保持不變,但是鍵長變短。這主要是由于鎘原子的半徑比鋅原子的大,使相鄰硫原子向外擴張,導致Zn—S鍵的鍵長在一定范圍內(nèi)變短。
圖3 含有硫空位、鋅空位、鐵雜質(zhì)和鎘雜質(zhì)的閃鋅礦的能帶結構Fig.3 Band structures of ZnS with S-vacancy (a), Zn-vacancy (b), Fe-impurity (c) and Cd-impurity (d)
圖4 含有硫空位、鋅空位、鐵雜質(zhì)和鎘雜質(zhì)的閃鋅礦的總態(tài)密度圖Fig.4 Total density of states of ZnS with S-vacancy, Zn-vacancy, Fe-impurity and Cd-impurity
表 1 與硫空位、鋅空位、鐵雜質(zhì)和鎘雜質(zhì)相鄰的原子的Mulliken 電荷分析Table 1 Mulliken atomic population analysis of atoms around S-vacancy, Zn-vacancy, Fe-impurity and Cd-impurity
表2 與硫空位、鋅空位、鐵雜質(zhì)和鎘雜質(zhì)相鄰的鍵布居分析Table 2 Mulliken bond population analysis of bonds around S-vacancy, Zn-vacancy, Fe-impurity and Cd-impurity
圖5 含有硫空位、鋅空位、鐵雜質(zhì)和鎘雜質(zhì)的閃鋅礦的電荷差分密度圖Fig.5 Plots of differences of charge density contour of ZnS with S-vacancy (a), Zn-vacancy (b), Fe-impurity (c) and Cdimpurity (d)
圖5所示分別為含有摩爾分數(shù)為3.13%的硫空位、鋅空位、鐵雜質(zhì)和鎘雜質(zhì)的閃鋅礦的電荷差分密度圖,它們是通過空位或者雜質(zhì)原子沿成鍵方向切出來的。差分(Δρ)通過公式 Δ ρ=ρdefect? ∑(ρi)求得。其中:Δρdefect為缺陷體系優(yōu)化后的總電荷密度分布函數(shù);ρi為體系中優(yōu)化前的某一個原子的電荷密度分布函數(shù)。從圖5(a)和(b)可以看出:空位周圍的電荷分布發(fā)生了明顯的變化,鋅原子靠近硫空位處失去的電荷顯著減少,硫原子靠近鋅空位處所得電荷明顯減少,這都證明了與硫空位相鄰的鋅原子的電荷低于其他鋅原子的電荷,與鋅空位相鄰的硫原子的電荷低于其他硫原子的電荷。由圖 5(c)可見,鐵原子在其周圍的一個“p軌道形狀區(qū)域”聚集電荷,而在一個“d軌道形狀區(qū)域”損失電荷。由圖5(d)可見,鎘原子與鋅原子的電荷分布相似,這主要是因為鎘與鋅為同族元素,具有相似的電子構型。圖6(a)和(b)所示分別為含鐵雜質(zhì)和鎘雜質(zhì)缺陷的閃鋅礦的電荷密度圖。從圖 6(a)可以看出:鐵硫原子之間的電荷密度明顯高于鋅硫原子之間的電荷密度,存在較強的電荷密度重疊區(qū)。從圖6(b)可以看出,鎘硫原子之間的電荷密度低于鋅硫原子之間的電荷密度,與布居分析結果一致。
圖6 含有鐵雜質(zhì)和鎘雜質(zhì)的閃鋅礦的電荷密度圖Fig.6 Plots of charge density contour of ZnS with Fe-impurity (a) and Cd-impurity (b)
1) 硫空位、鋅空位和鐵雜質(zhì)缺陷導致硫化鋅晶胞參數(shù)變小,鎘雜質(zhì)導致晶胞參數(shù)變大。硫空位導致帶隙變窄,與硫空位相鄰的4個鋅原子的電荷明顯下降。與硫空位相鄰的Zn—S鍵的布居數(shù)減小,共價性減弱,鍵長變長。鋅空位使閃鋅礦帶隙變寬,使費米能級向低能方向偏移,并在價帶上出現(xiàn)簡并態(tài),與鋅空位相鄰的4個硫原子的電荷明顯低于其他硫原子的電荷。與鋅空位相鄰的Zn—S鍵布居數(shù)增大,共價性增強,鍵長變短。
2) 鐵雜質(zhì)使閃鋅礦變成n型半導體,使費米能級向高能方向偏移,并在帶隙中形成了一個主要由鐵的3d軌道貢獻的雜質(zhì)能級。與鐵原子相鄰的4個硫原子的電荷低于其他硫原子的電荷,F(xiàn)e—S鍵比Zn—S鍵的鍵長更短,共價性增強。
3) 鎘雜質(zhì)對硫化鋅半導體能帶結構和態(tài)密度影響較小,在硫化鋅價帶的?7.5 eV處形成一個由鎘的4d軌道貢獻的能級,Cd—S鍵布居數(shù)下降,共價性減弱,鍵長變長。
4) 空位缺陷和鐵雜質(zhì)的存在改變了閃鋅礦能帶結構、電子態(tài)密度、電荷分布,從而影響其電化學性質(zhì)。而鎘雜質(zhì)主要是影響閃鋅礦晶格參數(shù)和成鍵性能,從而更有利于銅的活化。
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