共轭低聚物中光生分子间电荷转移态的第一性原理研究（英文）

本文基于第一性原理中的Heyd-Scuseria-Ernzerh方法研究了单层In_(1-x)Ga_xN的电子结构和光学性质.计算得到单层In_(1-x)Ga_xN的能带结构和态密度(DOS),发现随着掺杂比例的变化,体系带隙的变化范围是1.8～3.8 eV,表明通过Ga的掺杂可以实现体系带隙值的调节.并且还研究了单层In_(1-x)Ga_xN的介电函数,折射率和吸收系数等光学性质,结果表明随着Ga掺杂浓度的增加,介电函数谱的主峰和吸收谱发生了显著的蓝移.此外,基于能带结构和态密度图谱,对单层In_(1-x)Ga_xN的光学性质进行分析,预测这种材料独特的光学性质在纳米电子学和光学器件中会有广泛的应用.     

锰掺杂二硅化铬电子结构和光学性质的第一性原理计算

采用基于第一性原理的密度泛函理论(DFT)赝势平面波方法计算了锰掺杂二硅化铬(CrSi2)体系的能带结构、态密度和光学性件质.计算结果表明末掺杂CrSi2属于间接带隙半导体间接带隙宽度△ER=0.35 eV;Mn掺杂后费米能级进入导带,带隙变窄,且间接带隙宽度△Eg=0.24 eV,CrSi2转变为n型半导体.光学参数发生改变,静态介电常数由掺杂前的ε1(O)=32变为掺杂后的ε1(O)=58;进一步分析了掺杂对CrSi2的能带结构、态密度和光学性质的影响,为CrSi2材料掺杂改件的研究提供r理论依据.     

用赝势微扰法计算某些半导体的能带结构(用于GaAs,GaP和Ga[As_(1-x)P_x]合金)

用赝势微扰法计算了GaAs,GaP和Ga[As_(1-x)P_x]合金的能带。赝势选择的原则是使计算所得直接能隙和间接能隙与实验值相符合。计算结果表明,不但能带次序准确,而且与室温下的实验值符合得很好。基于由GaAs到GaP晶格常数和赝势是线性变化的假设,计算了GaP含量为20％,50％和80％时Ga[As_(1-x)P_x]合金的能带。当GaP含量为41％时,直接能隙和间接能隙相等,这一数值刚好是Spitzer和Fenner的实验值的平均值。此时,由于很好满足光激射器p-n结所要求的条件,因此可望在光激射器中得到应用,它们的能带也就有一定的参考价值。     

高压下AlN的电子结构和光学性质

运用密度泛函理论体系下的平面波赝势(PWP)和广义梯度近似(GGA)方法,利用第一性原理计算了不同压强下六方纤锌矿结构AlN晶体的晶格常数、总能量、电子态密度、能带结构、光反射系数与吸收系数。通过比较能带结构的变化行为,得出 AlN在16.7Gpa附近存在等结构相变,即由直接带隙结构转变为间接带隙结构。同时,结合高压下的态密度分布图和能级移动情况,分析了AlN在高压下的光学性质,吸收谱有向高能端移动(蓝移) 的趋势。     

Ge64-xCx合金的能带结构和光学性质的第一性原理计算

基于第一性原理密度泛函理论(DFT),广义梯度近似下的GGA+U方法,计算了Ge_64-xC_x(x=0～3)合金体系的能带结构和光学性质.计算结果显示,纯Ge的带隙宽度数值与实验值相符,为0.732 eV.在本文所研究的C浓度范围内Ge_64-xC_x(x=1～3)均转变成直接带隙,带隙随C原子的增加逐渐减小.光学性质的计算结果表明,C原子引入对所有的光学性质均产生影响,随着C浓度的增加Ge_64-xC_x合金的静态介电常数增大,在近红外区的吸收系数增大,且吸收光谱红移,对于Ge₆₁C₃吸收边延伸至中红外区.C原子掺杂使体系对光的利用率增强,Ge_64-xC_x合金的载流子寿命和光催化能力也随C浓度的变化而变化.Ge_64-xC_x合金有希望成为在近红外、中红外区域的光学材料.     

亚稳Zr基稀La固溶体合金的超导性及结构

本文用悬浮熔炼液相高速淬火方法获得了亚稳Zr_(1-x)La_x(x=1,2,3,4at％)固溶体合金.其超导转变温度随La含量增加而急剧升高.用能带结构的d-f杂化效应对上述实验结果进行了讨论.     

直接带隙Ge_(1-x)Sn_x本征载流子浓度研究

通过合金化改性技术,Ge可由间接带隙半导体转变为直接带隙半导体.改性后的Ge半导体可同时应用于光子器件和电子器件,极具发展潜力.基于直接带隙Ge1-x Sn x半导体合金8带Kronig-Penny模型,重点研究了其导带有效状态密度、价带有效状态密度及本征载流子浓度,旨在为直接带隙改性Ge半导体物理的理解及相关器件的研究设计提供有价值的参考.研究结果表明:直接带隙Ge1-x Sn x合金导带有效状态密度随着Sn组分x的增加而明显减小,价带有效状态密度几乎不随Sn组分变化.与体Ge半导体相比,直接带隙Ge1-x Sn x合金导带有效状态密度、价带有效状态密度分别低两个和一个数量级;直接带隙Ge1-x Sn x合金本征载流子浓度随着Sn组分的增加而增加,比体Ge半导体高一个数量级以上.     

Al掺杂SnO2 材料电子结构和光学性质

采用基于第一性原理的线性缀加平面波方法(FP-LAPW),研究Al掺杂SnO₂材料Sn_1-xAl_xO₂ (x= 0,0.0625,0.125,0.1875,0.25)的电子结 构和光学性质,包括能带结构、电子态密度、介电函数和其他一些光学性质.计算结果表明,掺杂Al之后价带上部分折叠态增加,价带宽度发生收缩,对导带底起作用的Sn 5s态减少,使得带隙增宽,且态密度整体向高能方向发生移动.随着Al掺杂量的增加带隙越来越宽,Al杂质能级在导带部分与Sn 5p态电子相互作用逐渐增强,虚部谱中的第一介电峰的强度随掺杂Al浓度增大而减弱.同时,吸收谱及其他光学谱线与介电函数虚部谱线相对应,各谱线均发生蓝移现象,对应带隙增宽,从理论上指出了光学性质与电子结构之间的内在关系. 关键词： 能带结构 态密度 光学性质 介电函数     

Bi_xBa_(1-x)TiO_3电子及能带结构的第一性原理研究

采用基于第一性原理的赝势平面波方法,研究了ABO_3钙钛矿复合氧化物BaTiO_3中A位离子被Bi原子取代后对其构型、电子及能带结构的影响.计算结果表明,Bi取代Ba之后会降低BaTiO_3的对称性,空间点群随着取代量的变化而变化,结合能逐渐降低.通过能带结构的计算发现Bi_xBa_(1-x)TiO_3为直接带隙型半导体.Bi的取代可调节Bi_xBa_(1-x)TiO_3的禁带宽度,从x=0.125到x=0.625时,Bi的取代量越大,其带隙越宽,吸收光谱蓝移.x0.625时,禁带宽度又逐渐减小,吸收光谱红移.由态密度图可看出,其价带顶主要是O-2p与Bi-6s态杂化而成,导带底主要由Ti-3d态构成.     

Cr含量对ZB型半金属铁磁体Cr_xZn_(1-x)Se磁电性能的影响

使用基于密度泛函理论的第一性原理方法,优化了闪锌矿结构的Cr_xZn_(1-x)Se(x=0.000,0.125,0.250和0.375)的2×2×2超胞的几何结构,计算了其自旋极化的态密度和能带结构、离子磁矩、电荷分布等磁电性能,详细分析了Cr含量对Cr_xZn_(1-x)Se磁电性能的影响.结果表明,Cr掺杂后ZB型ZnSe具有明显的半金属特性;当x=0.125,0.250和0.375时,Cr_xZn_(1-x)Se均有较宽的半金属带隙,从而可能具有较高的居里温度;当x=0.125时,Cr_xZn_(1-x)Se的半金属性最稳定;x=0.125,0.250和0.375时,Cr_xZn_(1-x)Se的超胞磁矩分别为整数磁矩4.0,8.0和12.0μ_B,而具有整数磁矩是半金属铁磁体非常重要的特征之一.Cr_xZn_(1-x)Se的半金属性和磁性主要来源于Cr离子的自旋极化,Cr离子的电子结构为Cr e_g~2↑e_g~1↓t_(2g)~3↑.     

Ge掺杂对InI导电性能影响的第一性原理研究

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,在相同环境条件下对不同浓度Ge掺杂的In I导电性能进行了研究.建立了由不同浓度的Ge原子替代In原子的In1-x Ge x I(x=0,0.125,0.25)模型.对低温下高掺杂Ge原子的In1-x Ge x I半导体的优化参数、总态密度、能带结构进行了计算.结果表明:Ge的掺入使In1-x Ge x I材料的体积减小,总能量升高,稳定性降低;Ge原子浓度越大,进入导带的相对电子数量越多,In1-x Ge x I电子迁移率减小,电阻率增大,同时最小光学带隙也增大,有利于改善体系的核探测性能.     

Al_xIn_(1-x)As电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论,对各组分Al_xIn_(1-x)As(x为0～1)的晶体结构,电子结构和光学性质进行了第一性原理计算.结果显示,随Al组分x增加,Al_xIn_(1-x)As晶体各键长将缩短,键角发生变化,晶胞体积也将减小,晶格常数的变化符合Vegard定律.另外,随着Al组分x的增加,Al_xIn_(1-x)As的禁带宽度变宽,且能带有从直接带隙结构转变为间接带隙结构的趋势.具有较高In组分的Al_xIn_(1-x)As晶体在可见光区域中的光吸收能力更强,光谱响应范围更大.     

用局域密度泛函线性丸盒轨道原子球近似超元胞法计算(Ba_(1-x)K_x)BiO_3的Hopfield常数与T_c随组分x的变化

用局域密度泛函线性丸盒轨道原子球近似(LDF-LMTO-ASA)超元胞法计算(Ba_(1-x)Kx)BiO_3特定组分x的电子结构,其中x=0.0,0.5,1.0三种组分由扩大1倍的元胞计算;x=0.25和0.75两种组分由扩大4倍的元胞计算,所得能带参数总态密度TDOS(E_F)、分波态密度PDOS(E_F)以及自洽晶体势V~ι(r),结合由实验测定的≈210K,按McMillan强耦合公式以及Gaspari-Gyorffy近似,分别计算各原子的Hopfield常数η_t,电声子耦合常数λ以及超导转变温度Tc随组分x的变化。计算结果λ≈1而Tc最大约10K,且随x变化缓慢。与实验结果对比似乎暗示,在(Ba_(1-x)K_x)BiO_3中除电声子机制外,随组分变化的复杂结构相变亦将起重要的作用。     

基于锡组分和双轴张应力调控的临界带隙应变Ge_(1-x)Sn_x能带特性与迁移率计算

能带工程通过改变材料的能带结构可以显著提升其电学和光学性质,已广泛应用于半导体材料的改性研究.双轴张应力和Sn组分共同作用下的Ge_(1-x)Sn_x合金,不仅可以解决直接带隙转变所需高Sn组分带来的工艺难题,而且载流子迁移率会显著提升,在单片光电集成领域有很好的应用前景.根据形变势理论,分析了(001)面双轴张应变Ge_(1-x)Sn_x的带隙转变条件,并给出了在带隙转变临界点Sn组分和双轴张应力的关系;采用8κ·p方法,得到了临界带隙双轴张应变Ge_(1-x)Sn_x在布里渊区中心点附近的能带结构,进而计算得到电子与空穴有效质量;基于载流子散射模型,计算了电子与空穴迁移率.计算结果表明:较低Sn组分和双轴张应力的组合即可得到直接带隙Ge_(1-x)Sn_x合金,且直接带隙宽度随着应力的增大而减小;临界带隙双轴张应变Ge_(1-x)Sn_x具有极高的电子迁移率,空穴迁移率在较小应力作用下即可显著提升.考虑工艺实现难度和材料性能两个方面,可以选择4%Sn组分与1.2 GPa双轴张应力或3%Sn组分与1.5 GPa双轴张应力的组合用于高速器件和光电器件的设计.     

高压下AlN的电子结构和光学性质

运用密度泛函理论体系下的平面波赝势(PWP)和广义梯度近似(GGA)方法，利用第一性原理计算了不同压强下六方纤锌矿结构AlN晶体的晶格常数、总能量、电子态密度、能带结构、光反射系数与吸收系数。通过比较能带结构的变化行为，得出 AlN在16.7Gpa附近存在等结构相变，即由直接带隙结构转变为间接带隙结构。同时，结合高压下的态密度分布图和能级移动情况，分析了AlN在高压下的光学性质，吸收谱有向高能端移动(蓝移) 的趋势。     

Mn掺杂GaN稀磁半导体的电磁特性研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法计算了不同浓度Mn掺杂GaN(Ga1-xMnxN,x=0.0625和0.1250)的晶格常数、能带结构和态密度,分析比较了掺杂前后GaN的电子结构和磁性.结果表明:Mn掺入后体系仍为直接带隙半导体,带隙宽度随Mn含量的增加逐步增大.Mn掺杂GaN均使得N2p与Mn3d轨道杂化,产生自旋极化杂质带,自旋向上的能带占据费米面,掺杂后的Ga1-xMnxN表现为半金属铁磁性,适合自旋注入;随着Mn掺杂浓度的增加,体系的半金属性有所增强.     

Inverse-Heusler合金Ti_2Co_(1-x)Ni_xGa的磁性和半金属性

利用第一性原理计算了Inverse-Heusler合金Ti_2Co_(1-x)Ni_xGa的半金属性、磁性和电子性质.计算结果表明Ti_2Co_(1-x)Ni_xGa的原胞总磁矩和晶格常数随着x的增加而增加.由于过渡金属原子之间的直接杂化和sp电子的调节,原胞总磁矩和晶格常数随掺杂浓度x的改变而改变,并与Slater Pauling规则形成一定的差异.当Ni的掺杂浓度x=0.5时,Ti_2Co_(1-x)Ni_xGa合金的费米面在自旋向下带隙的中间位置,因而可以判定Ti2Co0.5Ni0.5Ga将具有最佳的半金属稳定性.     

Ga_(1–x)Cr_xSb(x=0.25,0.50,0.75)磁学和光学性质的第一性原理研究

随着高性能电子器件需求的日益增加,自旋电子学材料在材料研究和电子元件中具有重要地位,因为自旋电子学器件相比于传统半导体电子元件具有非易失性,低功耗和高集成度的优点.本文研究了Cr离子注入GaSb的电子性质、磁学和光学性质,采用基于密度泛函理论框架下的缀加投影平面波方法,利用广义梯度近似下电子交换关联泛函,考虑了Heyd-Scuseria-Ernzerhof(HSE06)杂化泛函计算进行电子能带带隙修正,首先对不同浓度Cr离子注入下的闪锌矿结构半导体GaSb形成的Ga_(1-x)Cr_xb(x=0.25,0.50,0.75)进行结构优化,计算了无磁、铁磁及反铁磁的基态能量,对比发现它们的基态均为铁磁态.对电子能带结构图分析发现,它们自旋向上的电子能带穿过费米面,而自旋向下的电子能带存在直接带隙,呈现铁磁半金属性质.同时在平衡晶格常数下具有整数倍玻尔磁矩,并在一定晶格变化范围内保持磁矩不变.同时发现它们在红外波段具有良好的吸收能力,这使得Ga_(1-x)Cr_xSb在自旋电子学器件和红外光电器件中拥有潜在的应用前景.     

硅锗量子阱结构在硅异质结太阳电池中应用的数值模拟

利用半导体工艺和器件仿真软件silvaco TCAD(Technology Computer Aided Design),模拟研究了采用硅/硅锗合金(silicon/silicon germanium alloy,Si/Si_(1-x)Ge_x)量子阱结构作为吸收层的薄膜晶体硅异质结太阳电池各项性能.模拟结果显示,长波波段光学吸收随锗含量的增加而增加,而开路电压则因Si_(1-x)Ge_x)层带隙的降低而下降.锗含量为0.25时,短路电流密度的增加补偿了开路电压的衰减,效率提升0.2%.氢化非晶硅/晶体硅(a-Si:H/c-Si)界面空穴密度以及Si_(1-x)Ge_x)量子阱的体空穴载流子浓度制约着空穴费米能级的位置,进而影响到开路电压的大小.随着锗含量增加,a-Si:H/c-Si界面缺陷对开压的影响降低,Si_(1-x)Ge_x)量子阱的体缺陷对开压的影响则相应增加.高效率含Si_(1-x)Ge_x)量子阱结构的硅异质结太阳电池的制备需要a-Si:H/c-Si界面缺陷的良好钝化以及高质量Si_(1-x)Ge_x)量子阱的生长.     

W掺杂对β-Ga_2O_3导电性能影响的理论研究

采用密度泛函理论的平面波超软赝势计算方法,对不同W掺杂浓度下β-Ga2O3的导电性能进行研究.计算了β-Ga2(1-x)W2x O3(x=0,0.0625,0.125)的优化参数、总态密度和能带结构.结果表明,W掺入β-Ga2O3使Ga2(1-x)W2x O3材料的体积增大,总能量升高,稳定性降低.当W的掺杂量较小时,其电子迁移率较大,导电性能也很强.当增加W的掺杂量,Ga2(1-x)W2x O3材料的平均电子有效质量就略有增大,能隙变得越窄,这与实验的变化趋势相一致.