BaHf0.5Ti0.5O3电子结构与光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论体系下的广义梯度近似（GGA）,利用第一性原理方法研究了BaHf_0.5Ti_0.5O₃的电子结构和光学性质.计算结果表明,BaHf_0.5Ti_0.5O₃是一种间接带隙半导体材料,其导带底主要由Ba、Hf和Ti的d态电子构成,价带顶则主要由O的p态、Hf和Ti的d态电子构成;理论计算的介电函数最高峰的峰位与实验结果吻合较好,相对误差小于4%;吸收系数最大峰值为2.43×10⁵cm^-1,且吸收主要集中在低能区,静态折射率为2.01,能量损失峰出现在13.24 eV处.研究结果为BaHf_0.5Ti_0.5O₃光电材料设计与应用提供了理论依据.     

BaZr0.5Ti0.5O3电子结构、力学和光学性质的第一性原理研究

在广义梯度近似（GGA）下,采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对BaZr0.5Ti0.5O3的电子结构、力学性质和光学性质进行了理论计算．计算得到该晶体的晶格常数为4.145925 Å,且此材料是一种间隙的半导体材料,价带和导带都来源于Ba原子、O原子的p态和Ti原子、Zr原子的d态电子间的杂化;力学性质的计算得到：BaZrO3和BaZr0.5Ti0.5O3的晶体结构稳定,且BaZrO3晶体掺杂Ti元素后体系的硬度变大;光学计算结果表明BaZr0.5Ti0.5O3的静态介电常数为4.20,吸收主要集中在低能区,静态折射率为2.00,能量损失峰出现在11.59eV处．上述研究结果为BaZr0.5Ti0.5O3材料的设计和应用提供了理论依据．     

BaZr0.5Ti0.5O3电子结构、力学和光学性质的第一性原理研究

在广义梯度近似（GGA）下,采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对BaZr0.5Ti0.5O3的电子结构、力学性质和光学性质进行了理论计算．计算得到该晶体的晶格常数为4.145925 Å,且此材料是一种间隙的半导体材料,价带和导带都来源于Ba原子、O原子的p态和Ti原子、Zr原子的d态电子间的杂化;力学性质的计算得到：BaZrO3和BaZr0.5Ti0.5O3的晶体结构稳定,且BaZrO3晶体掺杂Ti元素后体系的硬度变大;光学计算结果表明BaZr0.5Ti0.5O3的静态介电常数为4.20,吸收主要集中在低能区,静态折射率为2.00,能量损失峰出现在11.59eV处．上述研究结果为BaZr0.5Ti0.5O3材料的设计和应用提供了理论依据．     

掺杂BaHfO3电子结构与力学性能的第一性原理研究

在广义梯度近似（GGA）下,采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了掺杂对BaHfO3的电子结构与力学性能的影响．电子结构计算表明：优化的BaHfO3晶格常数与实验值吻合较好,BaHfO3为一种间接带隙的绝缘体材料．掺杂Sr和Ti后该材料仍为间接带隙材料,Ba0.5Sr0.5HfO3的带隙增大,绝缘体特征增强,而BaHf0.5Ti0.5O3的带隙显著减小,呈现出半导体材料的特征．由态密度分析可知,掺杂后带隙的变化主要是由于导带底的移动造成的．力学性能分析表明：与BaHfO3相比,Ba0.5Sr0.5HfO3的剪切模量和杨氏模量均明显减小,材料硬度减弱;BaHf0.5Ti0.5O3的剪切模量及杨氏模量均明显增大,材料硬度增强．电子密度分布分析揭示了掺杂改变体系价电子浓度的分布情况,使BaHfO3的价健特性发生了变化,这是材料硬度改变的内在原因．可见,掺杂能够有效地调控体系的硬度,该研究结果为掺杂BaHfO3力电材料的设计与应用提供了理论依据．     

Ba0.5Ca0.5ZrO3电子结构和光学性质的第一性原理研究

从第一性原理出发,利用密度泛函理论体系下的广义梯度近似,研究了Ba0.5Ca0.5ZrO3的电子结构和光学性质.计算得到该晶体的晶格常数为4.1823 A,且此材料是一种间隙的半导体材料,价带和导带都来源于Ba原子、Ca原子、Zr原子的d态和O原子的p态电子间的杂化.吸收系数为105 cm-1量级,且吸收主要集中在低能区.静态折射率为1.79,能量损失峰出现在10.8 eV处.该研究结果为Ba0.5Ca0.5ZrO3光电材料的设计和应用提供了理论依据.     

掺杂BaHfO3电子结构与力学性能的第一性原理研究

在广义梯度近似(GGA)下,采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了掺杂对BaHfO3的电子结构与力学性能的影响.电子结构计算表明:优化的BaHfO3晶格常数与实验值吻合较好,BaHfO3为一种间接带隙的绝缘体材料.掺杂Sr和Ti后该材料仍为间接带隙材料,Ba0.5Sr0.5HfO3的带隙增大,绝缘体特征增强,而BaHf0.5Ti0.5O3的带隙显著减小,呈现出半导体材料的特征.由态密度分析可知,掺杂后带隙的变化主要是由于导带底的移动造成的.力学性能分析表明:与BaHfO3相比,Ba0.5 Sr0.5 HfO3的剪切模量和杨氏模量均明显减小,材料硬度减弱;BaHf0.5Ti0.5O3的剪切模量及杨氏模量均明显增大,材料硬度增强.电子密度分布分析揭示了掺杂改变体系价电子浓度的分布情况,使BaHfO3的价健特性发生了变化,这是材料硬度改变的内在原因.可见,掺杂能够有效地调控体系的硬度,该研究结果为掺杂BaHfO3力电材料的设计与应用提供了理论依据.     

钛原子位置对立方BaTiO3电子结构的影响

本文基于密度泛函理论(DFT)的第一原理方法,计算了Ti原子位置对BaTiO3电子结构的影响.Ti的位置变化导致晶格畸变,使电子结构发生变化;从能带结构、能态密度(DOS)、电子密度、Mulliken布居等计算结果分析表明,导带和价带主要由Ti的3d电子和O的2p电子,Ti原子位置的变化,使Ti的3d电子能量分布上移,而O的2p电子能量下移;Ti位置变化,Ti的3d电子与的sp电子形成的杂化轨道更趋向离子化,以致于使OI出现了正电荷,表明发生了的2p电子向Ti的转移;O原子电子的转移使得Ti原子在导带的3d电子能量降低,与O原子在价带的2p电子能量重叠,禁带消失;随着畸变程度提高,转移逐渐增强,使禁带宽度逐渐减小,直至完全消失.     

TiO_2缺陷结构电子性质的第一性原理计算

本文采用第一性原理研究了O空位缺陷、Ti空位缺陷TiO_2的能带结构、总态密度、吸收谱.通过研究发现:与TiO_2超胞结构的能带相比,O空位缺陷体系的价带与导带能量均向低能区域移动,费米能级与导带底交错,呈现出n型半导体,Ti空位缺陷的TiO_2的费米能级与价带顶部的能级交错,为p型半导体材料.对于O空位缺陷TiO_2总态密度与分波态密度在低能区的态密度则主要由O的3s、3p轨道贡献的能量,而在费米能附近的态密度则主要由Ti的4d轨道贡献能量;Ti空位缺陷的态密度总态密度仍然由O的3s、3p和Ti的4d轨道贡献的能量;同时分析吸收光谱发现峰值下移较多的是钛缺陷体系,其原因在于Ti缺陷结构中未成键电子的相互作用.     

Ca0.5Sr0.5TiO3弹性和热学性质的第一性原理研究

利用能量最小原理, 确定了Ca_0.5Sr_0.5TiO₃晶体中4c位置的Ca/Sr原子对称分布, 建立了Ca_0.5Sr_0.5TiO₃稳定的晶体结构, 在此基础上利用基于密度泛函理论第一性原理的平面波超软赝势方法, 采用局域密度近似和广义梯度近似函数, 计算了Ca_0.5Sr_0.5TiO₃的晶格参数、弹性常数、体弹模量、剪切模量、杨氏模量、泊松比, 并基于Christoffel方程的本征值研究了平面声波的特征, 基于Cahill和Cahill-Pohl模型研究了最小热导率的特征. 计算结果表明: Ca_0.5Sr_0.5TiO₃晶格参数和实验值很接近, 体弹模量大于剪切模量, [100], [010], [001]晶向的杨氏模量、泊松比、普适弹性常数(A^U)以及杨氏模量三维图均显示了弹性各向异性; 平面声波在(010), (001)平面呈现各向异性, 在(100)平面呈现各向同性, 平面声波大小与平均横波和平均纵波的数值很接近. Cahill模型最小热导率在各平面呈现各向同性, Cahill-Pohl模型最小热导率在高温时趋于恒定. 准谐德拜模型下Ca_0.5Sr_0.5TiO₃ 晶体的摩尔热容和热膨胀系数与CaTiO₃晶体的接近, 并且高温下具有稳定的热膨胀性能. 计算所得禁带宽度为2.19 eV, 导带底主要是Ti-3d与O-2p态电子贡献; 由电荷布居和电荷密度图理论证实Ca_0.5Sr_0.5TiO₃具有稳定的Ti-O八面体结构.     

Sc掺杂Ca3Si4的电子结构和光学性质

利用基于密度泛函理论的赝势平面波方法对Sc掺Ca3Si4的电子结构和光学性质进行了系统的计算和分析比较.研究结果为块体Ca3Si4是间接带隙半导体,带隙为0.372eV,价带主要是由Si的3s和3p及Ca的3d态电子构成,导带主要是由Ca的3d态电子构成,静态介电常数ε1(0)=19,折射率n0=4.35;吸收系数在能量3.024eV处达到最大峰值1.56×105cm-1.而掺杂Sc变为n型半导体;费米能级附近的导带主要则由Ca的3d态电子和Sc的3d态电子构成,静态介电常数变为ε1(0)=54.58,折射率n0=7.416;吸收系数在能量5.253eV处达到最大峰值1.614×105cm-1.通过掺杂有效调制了Ca3Si4的电子结构和光学性质,计算结果为Ca3Si4光电材料的设计与应用提供了理论依据.     

0.5NdAlO3-0.5CaTiO3电子结构及光学性质的第一性原理计算

采用基于第一性原理密度泛函理论的平面波赝势方法,对0.5NdAlO₃-0.5CaTiO₃晶体进行结构优化,并对其能带结构,态密度和光学性质进行了理论计算.结构优化后晶格参数与实验数据相符合,误差小于1%;能带计算结果表明0.5NdAlO₃-0.5CaTiO₃为间接带隙,带隙值为0.52eV;费米面附近的能带由Nd-4f,O-2p,Nd-4p,Al-3p,Ti-4d层的电子态密度确定.同时也计算了该结构的介电函数,反射率和复折射率等光学性质.     

Electronic structure of ZrTiO4 and HfTiO4: Self-consistent cluster calculations and X-ray spectroscopy studies

Total and partial densities of states of the constituent atoms of ZrTiO₄ and HfTiO₄ titanates have been calculated using a self-consistent cluster method as incorporated in the FEFF8 code. The calculations reveal the similarity of the electronic structure of both titanates and indicate that the valence band of the compounds under consideration is dominated by contributions of O 2p states. These states contribute throughout the whole valence-band region; however their maximum contributions occur in the upper portion of the band. Other significant contributors in the valence-band region are Ti 3d and Zr 4d states in ZrTiO₄ and Ti 3d and Hf 5d states in HfTiO₄. All the above d-like states contribute throughout the whole valence-band region of the titanates; however maximum contributions of the Ti 3d states occur in the upper portion, whilst those of the Zr 4d (Hf 5d) states are in the central portions of the valence band. The FEFF8 calculations render that the bottom of the conduction band of ZrTiO₄ and HfTiO₄ is dominated by contributions of Ti 3d^? states, with also smaller contributions of Zr 4d^?/Hf 5d^? and O 2p^? states. To verify the above FEFF8 data, the X-ray emission bands, representing the energy distributions of mainly O 2p, Ti 3d and Zr 4d states, were measured and compared on a common energy scale. These experimental data are found to be in agreement with the theoretical FEFF8 results for the electronic structure of ZrTiO₄ and HfTiO₄ titanates. Additionally, X-ray photoelectron valence-band and core-level spectra were recorded for the constituent atoms of the titanates under study.     

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.     

Dependence of optical properties of monoclinic MnWO4 on the electric field of incident light

Considering the electric field of incident light along four particular directions [100], [110], [011], and [010], the optical properties of monoclinic MnWO₄ were investigated by the first-principle methods. The calculated electronic structures show that the O 2p states and Mn 3d states dominate the top of the valence bands, while the W 5d and Mn 3d states play a key role in the bottom of the conduction bands. The dielectric function and other optical properties, including absorption coefficient, reflectivity spectra, and energy-loss spectra, were calculated and analyzed. The results predicted the maximum static dielectric function when the electric field of incident light was along the [100] direction; meanwhile the absorption edge was calculated to be consistent with the energy band gap and the values and positions of peaks in absorption coefficient are related with the electric field of light. Otherwise, it is found that the appearance of peaks in the energy-loss spectra is also dependent on the electric field and simultaneously corresponds to the edge of absorption spectra and the peaks' position of reflectivity spectra.