双氮协同钴掺杂锐钛矿相二氧化钛电子结构的第一性原理研究（英文）

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了双氮原子协同钴原子共掺杂TiO_2的几何结构和电子结构.计算结果发现:双氮原子掺杂引起的双空穴位与钴原子形成了较强的耦合作用,并引起晶格结构发生明显变化.共掺杂的协同效应引起TiO_2禁带宽度变窄,在价带顶和导带底出现大量杂质能级,从而引起吸收带边发生明显红移.该掺杂方式对调制TiO_2禁带宽度有明显的效果,有望指导后续的实验合成.     

W-S共掺杂锐钛矿TiO2第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法,计算了未掺杂,WS单掺杂及W-S共掺杂TiO2的电子结构和光学性质．结果表明：掺杂后晶格畸变,晶格常数变大并在TiO2禁带中引入杂质能级．对于S单掺杂TiO2,禁带宽度减小和杂质能级的引入导致吸收光谱红移,而对于W单掺杂和W-S共掺杂,禁带宽度的明显增大致使掺杂后TiO2的吸收光谱蓝移．     

La-N共掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构及光学性质的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法对锐钛矿相TiO2、La单掺杂及La-N共掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构进行计算,分析La单掺杂及La-N共掺杂对锐钛矿相TiO2的晶体结构、能带、态密度、差分电荷密度和光吸收性质的影响. 结果表明,掺杂后TiO2的晶格发生畸变,原子间键长的变化使晶格发生膨胀;掺杂后TiO2的禁带宽度减小,并在禁带中引入杂质能级,导致TiO2的吸收图谱产生红移现象;与La单掺杂相比,La-N共掺杂锐钛矿相TiO2的红移程度增强.     

N掺杂锐钛矿TiO2电子结构的第一性原理研究

为了研究N掺杂对锐钛矿型TiO2电子结构的影响,进而揭示N掺杂导致锐钛矿型TiO2的禁带宽度变小的机理,对N掺杂TiO2进行了基于密度泛函理论的第一性原理研究.通过对能带、态密度及电子分布密度图的分析,发现在N掺杂后,N原子与Ti原子在导带区,发生了强烈的相互关联作用,致使Ti原子3d轨道上的电子向N原子2p轨道发生移动,使得导带降低了,从而使得TiO2导带的禁带宽度变小.理论预测可以发生红移现象,与实验结果对比分析,理论与实验基本相符.     

Fe-N共掺杂锐钛矿相TiO2电子性质与光学性质的第一性原理研究

近年来,Fe和N掺杂锐钛矿相TiO2半导体在实验中发现许多优异性能,本文采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了纯锐钛矿相TiO2、Fe和N单掺杂及Fe和N共掺杂TiO2的能带结构、电荷布居、态密度和光学性质.分析发现:Fe掺杂引起杂质能带位于禁带中央,杂质能带最高点与导带相距大约0.6 eV而最低点与价带相距大约0.2 eV;N掺杂引起的杂质能带位于价带顶部附近. Fe和N共掺杂后杂质能带由两部分组成,位于价带顶上方0.62 eV和导带底下方0.22 eV处,其中一层杂质能带主要由N原子的2p轨道和Fe原子的3d轨道杂化形成,而另一条杂质能带主要由Fe原子的3d轨道形成,由于杂质能级的出现,使锐钛矿TiO2的禁带宽度变小.对光学性质分析发现:Fe和N共掺杂会使锐钛矿TiO2光学吸收带边红移,可见光区的光吸收系数明显增大,在低能区出现了新的吸收峰,对应能量为1.82 eV,与实验结果相符.     

Co,N共掺杂锐钛矿相TiO2电子结构和光学性质的第一性原理研究

二氧化钛(TiO2)作为一种性能优良的光催化剂已经被广泛地研究和使用. 本研究中利用了第一性原理和GGA+U方法, 对锐钛矿结构TiO2晶体三种可能的(Co,N)共掺杂体系的几何结构、形成能、电子结构和光吸收系数进行了研究, 并与单掺杂(Co/N)体系进行了对比. 结果表明, 在三种共掺杂TiO2中, Co与N相邻时晶格畸变最小, 但掺杂原子周围晶格畸变较大;同时, 较低的形成能表明此种共掺杂结构最容易形成;此外, 因为Co与N成键, 其杂质能级的数目与能量较其他共掺杂结构有较大差异. (Co,N)共掺杂体系与未掺杂TiO2的相比, 其禁带宽度较小, 禁带中存在杂质能级, 因此其吸收边红移, 在可见光波段有较好的光吸收能力. 故(Co,N)共掺杂可以很好地提升锐钛矿型TiO2在可见光波段的光催化性能.     

Cu/N表面沉积共掺杂TiO_2光催化剂作用机理的理论研究

本文采用基于周期性密度泛函理论研究了Cu/N表面沉积共掺杂对锐钛矿相TiO2(001)面的修饰作用.计算了Cu在不同位置掺杂TiO2(101)面和(001)面的形成能,并在此基础上计算N不同位置掺杂TiO2(001)面及Cu/TiO2(001)面的形成能,通过形成能的比较获得了表面共掺杂的最优化结构.在此基础上计算了最稳定结构的能带结构及态密度,并与S单掺杂TiO2(001)面最稳定结构进行了对比.通过对结果的分析发现:Cu/N在(001)表面的沉积共掺杂有效降低了TiO2的禁带宽度,并在表面形成CuO2相,更利于提高其光催化活性.     

3C-SiC材料p型掺杂的第一性原理研究

采用基于第一性原理的密度泛函理论平面波超软赝势法,研究了SiC材料p型掺杂的晶体结构和电子结构性质,得到了优化后体系的结构参数,掺杂形成能,能带结构和电子态密度,计算得到掺杂B,Al,Ga在不同浓度下的禁带宽度.结果表明:随着掺杂B原子浓度的增大,禁带宽度随之减小;而随着掺杂Al,Ga原子浓度的增大,禁带宽度随之增大;在相同浓度下,掺杂Ga的禁带宽度大于掺杂Al,掺Al禁带宽度大于掺B. 关键词： SiC 电子结构 掺杂 第一性原理软件     

S掺杂对锐钛矿相TiO2电子结构与光催化性能的影响

采用基于第一性原理的平面波超软赝势方法研究了掺杂不同价态S的锐钛矿相TiO2的晶体结构、杂质形成能、电子结构及光学性质.计算结果表明硫在掺杂体系中的存在形态与实验中的制备条件有关;掺杂后晶格发生畸变、原子间的键长及原子的电荷量也发生了变化,导致晶体中的八面体偶极矩增大;S 3p态与O 2p态、Ti 3d态杂化而使导带位置下移、价带位置上移及价带宽化,从而导致TiO2的禁带宽度变窄、光吸收曲线红移到可见光区.这些结果很好地解释了S掺杂锐钛矿相TiO2在可见光下具有优良的光催化性能的内在原因.根据计算结果分析比较了硫以不同离子价态掺杂对锐钛矿相TiO2电子结构和光催化性能影响的差别.     

N、C共掺杂锐钛矿相TiO2电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,研究了N和C原子分别单掺杂和双掺杂锐钛矿TiO2的形成能、晶体结构、电子结构和光学性质。计算结果表明：原子替位掺杂后体系晶格发生畸变;C替位掺杂更倾向于替代Ti位,而非O位;替位掺杂使TiO2光吸收带边发生了明显红移,且在可见光区域的吸收效率明显增加,大大提高了光催化效率。与单掺杂比较发现,N、C双掺杂红移现象更加明显,为较好的掺杂改性方式。     

Determination of N and O – Atom and N2(A) Metastable Molecule Densities in the Afterglows of N2 and N2‐O2 Microwave Discharges

Early afterglows of N₂ and N₂‐O₂ flowing microwave discharges are characterized by optical emission spectroscopy. The N and O atom and N₂(A) metastable molecule densities are determined by optical emission spectroscopy after calibration by NO titration for N‐atoms and measurements of NO and N₂ band intensities for O‐atoms and N₂(A) metastable molecules. By using N₂ tanks with 50 and 10 ppm impurity, it is determined in the afterglow an O‐ atom impurity of 150‐200 ppm. Variations of the N and O‐atom and N₂(A) metastable molecule densities are obtained in the early afterglow of N₂–(9·10^–5–3·10^–3)O₂ gas mixtures. (© 2013 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

双层h-BN/Graphene结构稳定性及其掺杂特性的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了双层h-BN/Graphene的稳定性及其掺杂特性.研究发现,双层h-BN/Graphene能带结构在K点处有一个小的带隙,在费米能处有类Graphene的线性色散关系.通过施加应变和掺杂来调节带隙,发现掺杂后费米能级附近引入的新能级,主要是N原子的贡献,掺杂后的Na原子和N,C之间存在电荷转移,材料转变为金属性.电荷的转移、载流子密度的增加,在电子元器件中有重要的应用前景.     

Effect of atomic impurities on the helical surface states of the topological insulator Bi2Te3

The effect of atomic impurities including N, O, Na, Ti and Co on the surface states of the topological insulator (TI) Bi(2)Te(3) is studied using pseudopotential first principles methods. The robustness of the TI surface states is particularly investigated against magnetic and non-magnetic atomic adsorption by calculating the electronic band structure, charge transfer, and magnetic moments. Interestingly, it is found that a non-magnetic nitrogen atom has produced a residual magnetic moment and opens a gap in the surface states whereas Na and O atoms preserve the Dirac-like dispersion. The charge transfer from the adatoms produces an electric dipole field that causes Rashba splitting in the surface bands. For atomic impurities with 3d orbitals (Ti and Co), the TI surface states are destroyed and two spin-resolved resonance peaks are developed near the Fermi level in the DOS.     

过渡金属原子掺杂的锯齿型磷烯纳米带的磁电子学特性

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了掺杂铁、钴和镍原子的锯齿型磷烯纳米带(ZPNR)的磁电子学特性.研究表明,掺杂和未掺杂ZPNR的结构都是稳定的.当处于非磁态时,未掺杂和掺杂钴原子的ZPNR为半导体,而掺杂铁或者镍原子的ZPNR为金属.自旋极化计算表明,未掺杂和掺杂钴原子的ZPNR无磁性,而掺杂铁或者镍原子的ZPNR有磁性,但只能表现出铁磁性.处于铁磁态时,掺杂铁原子的ZPNR为磁性半导体,而掺杂镍原子的ZPNR为磁性半金属.掺杂铁或者镍原子的ZPNR的磁性主要由杂质原子贡献,产生磁性的原因则是在ZPNR中存在未配对电子.掺杂位置对ZPNR的磁电子学特性有一定的影响.该研究对于发展基于磷烯纳米带的纳米电子器件具有重要意义.     

N掺杂锐钛矿TiO2电子结构的第一性原理研究

为了研究N掺杂对锐钛矿型TiO₂电子结构的影响，进而揭示N掺杂导致锐钛矿型TiO₂的禁带宽度变小的机理，对N掺杂TiO₂进行了基于密度泛函理论的第一性原理研究. 通过对能带、态密度及电子分布密度图的分析，发现在N掺杂后，N原子与Ti原子在导带区，发生了强烈的相互关联作用，致使Ti原子3d轨道上的电子向N原子2p轨道发生移动，使得导带降低了，从而使得TiO₂导带的禁带宽度变小.理论预测可以发生红移现象，与实验结果对比分析，理论与实验基本相符. 关键词： N掺杂 2')" href="#">锐钛矿型TiO₂ 电子结构     

3d过渡金属元素掺杂Al12N12纳米线几何结构和电子性能的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,系统地研究了不同3d过渡金属元素(Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni)掺杂Al₁₂N₁₂纳米线的几何结构、稳定性和电子结构.结果表明：所有掺杂体系均是热力学稳定的;掺杂Ni时体系保留了原有的非磁性间接带隙半导体特性;当掺杂其它原子(Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co)时体系仍然保持为半导体,但带隙明显减小.掺杂过渡金属原子对于Al₁₂N₁₂纳米线的电子结构具有明显的调控作用,在能带调控和光电方面有潜在的应用前景.     

双氮原子掺入二氧化钛电子结构的第一原理研究

采用基于第一性原理的平面波超软赝势方法计算研究了双N原子掺入金红石相TiO_2的几何结构和电子结构.通过比较三种可能的掺杂方式的总能发现,两个氮原子占据两个相邻的B原子位置时具有最稳定的结构.电子结构分析表明,双N原子掺杂TiO_2出现了杂质能级,三种结构的能带间隙均减小,其中杂质原子最近邻占位时,带隙最小,随着两个杂质原子的距离增大,带隙会逐渐变大.     

Electronic and magnetic properties of multishell Co nanowires coated with Cu

The structural, electronic, and magnetic properties of ultrathin Cu-coated Co nanowires have been studied by using empirical genetic algorithm simulations and a tight-binding spd model Hamiltonian in the unrestricted Hartree-Fock approximation. For some specific stoichiometric compositions, Cu atoms occupy the surface, while Co atoms prefer to stay in the interior, forming the perfect coated multishell structures. The outer Cu layers lead to substantial variations in the magnetic moment of interior Co atoms, depending on the structure and thickness of Cu layers. In particular, single Co atom row at the center of nanowire is found to be nonmagnetic when coated with two Cu layers. All the other Co nanowires in the coated Cu shell are still magnetic but the magnetic moments are reduced as compared with Co nanowires without Cu coating. The interaction between Cu and Co atoms induces nonzero magnetic moment for Cu atoms.     

CoAlN(N=2-11)团簇基态结构的稳定性和磁性

采用密度泛函理论中的广义梯度近似(GGA),对CoAlN(N=2-11)团簇进行构型优化和磁性计算.在考虑自旋多重度的情况下得到了团簇的平衡构型及基态结构,并重点讨论了Co原子的sp-d杂化效应对体系稳定性和磁性的影响.结果表明:N为偶数时,团簇的基态为自旋双重态,Co原子磁矩随N增加整体上呈减小趋势;N为奇数时(除N=5为自旋三重态外),团簇的基态为自旋单重态,Co原子磁矩为零.N≥8时,Co原子陷入主团簇内部,体系的对称性降低,稳定性增强;轨道杂化增强了体系的稳定性,但减小了双重态和三重态体系中Co原子的磁矩;N=3,8,10是团簇CoAlN(N=2.11)的幻数.     

Li掺杂对MgH2(001)表面H2分子扩散释放影响的第一性原理研究

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理分别研究了MgH₂(001)表面H原子扩散形成H₂分子释放出去的可能路径及金属Li原子掺杂对其影响. 研究结果表明: 干净MgH₂(001)表面第一层释放H原子形成H₂分子有两种可能路径, 其释放能垒分别为2.29和2.50 eV; 当将Li原子替代Mg原子时, 两种H原子扩散释放路径的能垒分别降到了0.31和0.22 eV, 由此表明Li原子掺杂使MgH₂(001)表面H原子扩散形成H₂释放更加容易.