具有可调电学和光学性质的双层和三层Janus Ga2SSe

将二维(2D)层状材料的单层堆叠成双层或者少数层,可以很好的调节其光电性质,为该领域发展提供了新的机遇.本文采用第一性原理方法系统地研究了堆叠层数和堆叠次序对双层和三层Janus Ga₂SSe的电学和光学性质的影响.我们发现这些结构的层间距差别很大,而结合能差异却很小.尽管所有的双层和三层Janus Ga₂SSe具有间接带隙,然而其带隙值和载流子有效质量与堆叠层数和堆叠次序密切相关.此外,在Janus Ga₂SSe中,通过增加层数,可以增强其在可见光和紫外区域的吸收系数.同时,通过控制层间堆叠模式,进一步调制其吸收系数,导致在可见光和近紫外区域产生多个吸收峰.我们的结果为双层和三层Janus III族单硫化合物的可调节电学和光学性质提供了有价值的见解,这表明其可能在纳米电子和光电子器件中有着广阔的应用前景.     

层数调控磷烯能带与光学性质的研究

近年来,黑磷作为兼具石墨烯和过渡金属硫化物之长的新型二维材料而倍受关注.本文基于密度泛函理论,研究了不同厚度黑磷的电子结构与光学性质.结果表明,黑磷的性质与其厚度密切相关,可通过厚度调整实现能带与光学性质的可调控性.层间相互作用导致费米能级附近价带和导带的劈裂,是造成黑磷带隙随层数减小的根本原因.黒磷的静态折射率和静态反射率的大小均随层数的增大有增大的趋势,并且各层黑磷的反射峰均位于紫外光波段.黑磷对光的吸收涵盖了可见光到紫外光区域,对光的损失范围小于4eV.本文基于能带图和分波态密度图,从电子跃迁的角度分析了黑磷各项光学性质的变化情况,旨在为黑磷的带隙及光学性质层数可调控性提供理论依据.     

硫化锡电子结构和光学性质的量子尺寸效应

基于密度泛函理论的第一性原理计算,系统研究了硫化锡(SnS)晶体、纳米单层及多层的结构稳定性、电子结构和光学性质.结果表明:由于相对弱的层间范德瓦尔斯力作用,SnS单层纳米片可以像石墨烯等二维材料一样从块体中剥离出来;受制于量子尺寸效应和层间相互作用的影响,SnS的结构稳定性随层数减少而逐渐减弱,其带隙随层数减少而逐渐增大;由于材料的本征激发和吸收取决于电子结构,因此改变SnS材料的层数可以到达调控其光学性质的目的;SnS块体和纳米结构的主要光学吸收峰起源于Sn-5s,5p和S-2p轨道之间的电子跃迁;并且从块体到单层纳米结构,SnS的光学吸收峰出现明显的蓝移.本文的研究将有助于SnS材料在太阳能电池领域的应用.     

电场调控双层石墨烯纳米带的电子结构和光学性质

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了外加电场作用下双层AA堆垛的Armchair边缘石墨烯纳米带(BAGNRs)的电子结构和光学性质. BAGNRs具有半导体特性,其带隙随带宽(宽度为4～12个碳原子)的增加而振荡性减小.当施加电场后,BAGNRs的带隙随着电场强度的增加而逐渐减小,带隙越大对电场值的变化越敏感.当电场值为0.5 V/?时,所有BAGNRs的带隙都为零. BAGNRs具有各向异性的光学性质,其介电函数在垂直极化方向为半导体特性,而在平行极化方向为金属特性.在外加电场的作用下,BAGNRs的介电函数、吸收系数、折射系数、反射系数、电子能量损失系数和光电导率,其峰值向低能量区域移动,即产生红移现象.电场增强了能带间的跃迁几率.纳米带宽度对这些光学性质参数具有不同程度的影响.研究结果解释了电场调控BAGNRs光学性质的规律和微观机理.     

双层转角石墨烯的结构和电学性质

石墨烯是第一个被发现的层状二维材料,它的电学性质对层数和层间的堆垛方式有很强的 依赖性。而层间的转角可以被看作是调控石墨烯电学性质的又一个可控的自由度。本文主要综述 双层转角石墨烯的基本结构与性质,重点讲述转角对双层石墨烯电学性质的影响。我们将从理论 与实验结合的角度出发,介绍双层转角石墨烯中Dirac 费米子的新奇物理特性,重点阐述如何通 过转角来调控石墨烯的电学性质。最后我们对双层转角石墨烯的研究现状进行总结和展望。     

In掺杂ZnO超晶格光学性质的研究

采用基于第一性原理的线性缀加平面波方法, 计算了超晶格ZnO掺In的光学性质. 计算结果表明, 掺入In元素后Fermi能级进入导带, 介电函数、吸收系数、折射率、反射率都在Fermi面附近产生新的跃迁峰. 随着掺杂层数的增多, 跃迁峰发生红移, 当掺杂两层In时跃迁峰峰值最大, 同时吸收系数的吸收边随掺杂层数的增多而逐渐减小. 与In掺杂ZnO超晶胞相比, ZnO超晶格在可见光范围内具有高透过率的特点.     

新型二维拉胀材料SiGeS的理论预测及其光电性质

二维材料由于其在力学、电学以及光学等领域的潜在应用而受到广泛关注.基于第一性原理计算,通过有序地排列SiH3SGeH3的Si-S-Ge骨架,设计了一种全新的二维材料SiGeS.单层SiGeS具有良好的能量、动力学以及热力学稳定性. SiGeS具有非常罕见的负泊松比.此外,单层SiGeS是间接带隙半导体,其带隙值为1.95 eV.在应变的作用下, SiGeS可转变为带隙范围为1.32—1.58 eV的直接带隙半导体,可被应用在光学或半导体领域.同时,本征SiGeS拥有优异光吸收能力,其最高光吸收系数可达约10~5 cm^–1,吸收范围主要在可见光到紫外波段.在应变下,光吸收范围可覆盖到整个红外波段.这些有趣的性质使得SiGeS成为一种多功能材料,有望被用于纳米电子、纳米力学以及纳米光学等领域.     

Sc2O3电子结构和光学性质的第一性原理研究

本文基于第一性原理平面波赝势(PWP)和广义梯度近似(GGA)方法,研究了Sc2O3的电子结构、态密度和光学性质. 计算结果表明：Sc2O3是一种直接带隙半导体,其能带宽度为3.79eV,价带顶部主要由O的2p和Sc的3p3d杂化而成,导带主要由Sc的3d和O的2p构成. 同时,文中也分析了Sc2O3的介电函数、折射率、光电导率和吸收谱等光学性质. 计算得到静态介电常数 ,折射率n0=1.25,在紫外区有较大的吸收系数.     

Sc2O3电子结构和光学性质的第一性原理研究

本文基于第一性原理平面波赝势(PWP)和广义梯度近似(GGA)方法,研究了Sc2O3的电子结构、态密度和光学性质.计算结果表明:Sc2O3是一种直接带隙半导体,其能带宽度为3.79 eV,价带顶部主要由O的2p和Sc的3p3d杂化而成,导带主要由Sc的3d和O的2p构成.同时,文中也分析了Sc2O3的介电函数、折射率、光电导率和吸收谱等光学性质.计算得到静态介电常数ε1(0)=1.57,折射率n0 =1.25,在紫外区有较大的吸收系数.     

过渡金属(Ni)掺杂ZnV2O4的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论下的MS软件模拟了过渡金属Ni掺杂ZnV₂O₄前后的能带结构、态密度以及光学性质.结果表明：ZnV₂O₄具有间接的光学跃迁且能带间隙为0.355 eV,Ni掺杂后能带间隙增加为0.785 eV,且带隙类型不变,引入的Ni-3d轨道电子对ZnV₂O₄的价带和导带组成提供了较大贡献.光学性质结果表明ZnV₂O₄为一种低介电材料,在可见光区的吸收系数和折射率较低,主要表现为紫外吸收.掺杂Ni后,在可见光区的吸收特性和光电导率均增大,有效改善了ZnV₂O₄在可见光区的光电性能.     

宽带隙半导体CdAl_2S_4电子结构、弹性和光学性质的研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法,对宽带隙半导体Cd Al_2S_4的晶格结构、电学、弹性和光学性能进行了系统的研究.研究结果表明:Cd Al2S4为直接带隙的宽带隙半导体材料;是弹性稳定的具有各向异性的延展性材料;该晶体的光学性质在中能区(3.5~12.5 e V)具有较强的各向异性,其强反射峰处于紫外能量区域,因此其可用作紫外光探测或屏蔽材料.     

宽带隙半导体CdAl2S4电子结构、弹性和光学性质的研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法,对宽带隙半导体CdAl2S4的晶格结构、电学、弹性和光学性能进行了系统的研究. 研究结果表明：CdAl2S4为直接带隙的宽带隙半导体材料;是弹性稳定的具有各向异性的延展性材料;该晶体的光学性质在中能区(3.5 ~12.5 eV)具有较强的各向异性,其强反射峰处于紫外能量区域,因此其可用作紫外光探测或屏蔽材料.     

BaZrO3和CaZrO3能带和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论基础上的CASTEP软件包,计算了BaZrO3和CaZrO3的能带以及光学性质.计算得到BaZrO3直接带隙和间接带隙分别为3.49 eV和3.23eV,CaZrO3直接带隙和间接带隙分别为3.73 eV和3.38 eV.对这两种材料的介电函数、吸收系数、反射系数、折射系数、湮灭系数和能量损失系数等光学系数进行了计算,并基于电子能带对光学性质进行了解释.得出,光学特性的异同是由于其内部微观结构上的异同所引起的.     

应力效应对tP10-FeB_4的电子结构与光学性质的影响

由于具有高强度、超硬度、良好的热稳定性和半导体性质等特点,tP10-FeB_4可以在高温、高压的条件下使用,所以本文采用密度泛函理论,深入研究高压下tP10-FeB_4的电子结构和吸收系数、反射率、折射率等光学性质并得出了如下几点结论:随着压强的增大,电子的重叠增大,进而导致轨道杂化、能带宽度变宽,压缩带隙. tP10-FeB_4的价带顶部和导带底部主要由Fe的3d、B的2p和2s轨道构成. tP10-FeB_4在紫外区间有良好的吸收谱,是潜在的紫外吸收材料.而在可见光区吸收较小且对可见光的折射率比较大,因此可以考虑用于制作光导纤维.     

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.     

第一性原理研究厚度和空位缺陷对Si/SiO2界面电子结构与光学性质的影响

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,在局域密度近似（LDA）下研究了Si纳米层厚度和O空位缺陷对Si/SiO2界面电子结构及光学性质的影响．电子结构计算结果表明：在0.815~2.580nm的Si层厚度范围内,Si/SiO2界面结构的能隙随着厚度减小而逐渐增大,表现出明显的量子尺寸效应,这与实验以及其他理论计算结果一致;三种不同的O空位缺陷的存在均使得Si/SiO2界面能隙中出现了缺陷态,费米能级向高能量方向移动,且带隙有微弱增加．光学性质计算结果表明：随着Si纳米层厚度的减小,Si/SiO2界面吸收系数产生了蓝移;O空位缺陷引入后,界面光学性质的变化主要集中在低能区,即低能区的吸收系数和光电导率显著增加．可见,改变厚度和引入缺陷能够有效地调控Si/SiO2界面体系的电子和光学性质,上述研究结果为Si/SiO2界面材料的设计与应用提供了一定的理论依据．     

第一性原理研究厚度和空位缺陷对Si/SiO2界面电子结构与光学性质的影响

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,在局域密度近似（ LDA）下研究了Si纳米层厚度和O空位缺陷对Si／SiO2界面电子结构及光学性质的影响．电子结构计算结果表明：在0.815～2.580nm的Si层厚度范围内, Si／SiO2界面结构的能隙随着厚度减小而逐渐增大,表现出明显的量子尺寸效应,这与实验以及其他理论计算结果一致;三种不同的O空位缺陷的存在均使得Si／SiO2界面能隙中出现了缺陷态,费米能级向高能量方向移动,且带隙有微弱增加．光学性质计算结果表明：随着Si纳米层厚度的减小, Si／SiO2界面吸收系数产生了蓝移; O空位缺陷引入后,界面光学性质的变化主要集中在低能区,即低能区的吸收系数和光电导率显著增加．可见,改变厚度和引入缺陷能够有效地调控Si／SiO2界面体系的电子和光学性质,上述研究结果为Si／SiO2界面材料的设计与应用提供了一定的理论依据．     

过渡金属 X（ X=Cr、Mn、Fe、Tc、Re ）掺杂Janus Ga2SSe 的第一性原理研究

利用密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,研究过渡金属X(X=Cr、Mn、Fe、Tc、Re)原子掺杂Janus Ga₂SSe的磁性、电子性质及光学性质.研究表明：过渡金属掺杂Janus Ga₂SSe体系在Chalcogen-rich条件下有着比Ga-rich条件下更好的稳定性.其中Mn掺杂体系形成能在两种条件下皆为最低.本征Ga₂SSe是具有2.02 eV带隙的间接带隙半导体,在紫外区域有着很好的光伏吸收能力.与本征Ga₂SSe相比,Cr掺杂体系自旋向上通道出现杂质能级,自旋向上与向下通道不对称,呈磁矩为2.797μ_B铁磁性半金属. Mn掺杂体系在其自旋向上通道产生的杂质能级,呈磁矩为3.645μ_B的磁性P型半导体. Fe掺杂体系自旋向下通道产生的杂质能级,呈磁矩为3.748μ_B磁性P型半导体.在Tc与Re掺杂后,带隙皆由间接变直接带隙,呈无磁性的P型半导体.从光学性质来看,各掺杂体系与未掺杂Ga₂SSe在介电...     

应变和电场对Ga2SeTe/In2Se3异质结电子结构和光学性质的影响

异质结构的构筑与堆垛是新型二维材料物性调控及应用的有效策略.基于密度泛函理论的第一性原理计算,本文研究了4种不同堆叠构型的新型二维Janus Ga₂SeTe/In₂Se₃范德瓦耳斯异质结的电子结构和光学性质. 4种异质结构型均为Ⅱ型能带结构的间接带隙半导体,光致电子的供体和受体材料由二维In₂Se₃的极化方向决定.光吸收度在可见光区域高达25%,有利于太阳可见光的有效利用.双轴应变可诱导直接-间接带隙转变,外加电场能有效调控异质结构带隙,使AA2叠加构型的带隙从0.195 eV单调增大到0.714 eV,AB2叠加构型的带隙从0.859 eV单调减小到0.058 eV,两种调控作用下异质结的能带始终保持Ⅱ型结构.压缩应变作用下的异质结在波长较短的可见光区域表现出更优异的光吸收能力.这些研究结果揭示了Janus Ga₂SeTe/In₂Se₃范德瓦耳斯异质结电子结构的调控机理,为新型光电器件的设计提供理论指导.     

过渡金属元素X（X=Mo，Tc，Ru）掺杂单层GaS的第一性原理研究

近年来,二维GaS由于其优异的性质引起了科研人员的关注.基于密度泛函理论计算了过渡金属元素X(X=Mo, Tc, Ru)掺杂单层二维GaS的电子结构、磁性性质及光学性质.计算结果表明：单层GaS材料为间接带隙的非磁性半导体,在对S位点进行替位式掺杂后,Ga-rich和S-rich条件的形成能均为正数,导致过渡金属元素Mo、Tc和Ru不能自发地进入进入单层GaS材料中.所有掺杂体系都引入了杂质能级,杂质能级主要由掺杂原子的4d轨道贡献.掺杂后所有体系的带隙都有所减小,上自旋和下自旋的能带结构不再对称,使得Mo掺杂体系呈现半金属铁磁性,Tc和Ru掺杂体系呈磁性半导体特性,Mo、Tc和Ru掺杂后的总磁矩分别为4μ_B, 3μ_B和2μ_B,磁矩主要由掺杂原子的局域磁矩产生.掺杂后单层GaS的静介电常数得到提高,吸收谱出现红移,在可见光区和近红外区的吸收系数变大,对可见光的利用率增强.