Mn高掺杂浓度对ZnO禁带宽度和吸收光谱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, 建立了未掺杂与不同浓度的Mn原子取代Zn原子的三种Zn_1-xMn_xO超胞模型, 分别对模型进行了几何结构优化、态密度分布、能带分布和吸收光谱的计算. 结果表明: 电子非自旋极化处理的条件下, Mn掺杂浓度越小, ZnO形成能越小, 掺杂越容易, 晶体结构越稳定; Mn的掺入使得ZnO体系的杂质能带和导带发生简并化, 并且导带底和价带底同时向低能方向移动, 掺杂后的导带比价带下降得少导致禁带宽度变宽, ZnO吸收光谱明显出现蓝移现象, 计算结果和实验结果相一致. 同时, 电子自旋极化处理的条件下, 体系有磁性, 吸收光谱发生红移现象. 计算结果与相关实验结果相符合.     

氧空位对ZnO基(110)二维膜材料电子结构的影响研究

在密度泛函理论方法的基础上,系统研究了本征氧化锌和氧空位氧化锌的(110)二维膜材料的形成和电子结构性质.计算分析结果表明,ZnO的本征(110)二维膜比氧空位的(110)二维膜稳定性高,ZnO的(110)二维膜有失去氧的倾向.本征ZnO的(110)膜为直接带隙型材料,带隙宽度为2.3 eV,氧空位(110)膜为间接带隙型材料,带隙宽度为1.877 eV.氧空位的(110)膜导带向下移动,并且导带中的能级简并化.氧空位(110)膜材料的导带底能级有2个能谷,分别位于1.877 eV和1.88 eV,这些位置的能级有效质量比本征膜大幅度增大,这些位置的电子速度普遍较低. ZnO的(110)膜产生氧空位之后,Zn的s电子参与形成其价带顶能级.氧空位(110)膜材料中Zn-O键的混合型结合倾向增大.     

Mn-N共掺p型ZnO的第一性原理计算

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法对ZnO(Mn,N)体系的晶格结构、形成能、态密度以及电荷密度进行了计算和理论研究.研究结果表明,Mn和N共掺杂ZnO体系具有更低的杂质形成能和更高的化学稳定性,更加适合p型掺杂.Mn和N以1:2的比例掺杂时,体系的形成能降低,体系更稳定;同时,体系中形成双受主能级缺陷,使得杂质固溶度增大,体系中载流子数增多,p型化特征更明显.此外,研究发现相比于N单掺杂ZnO体系,Mn和N原子共掺杂ZnO体系有更多的杂质态密度穿越费米能级,在导带与价带之间形成更宽的受主N 2p的杂质态,同时空穴有效质量变小.与Mn-N共掺杂体系相比,Mn-2N共掺杂体系的受主杂质在费米能级附近的态密度更加弥散,非局域化特征明显.因此,Mn-N共掺杂有望成为p型掺杂的更有效的手段.     

纤锌矿ZnO：Cu体系空位缺陷的电磁特性理论研究

ZnO:Cu体系具有p型导电性并出现室温铁磁性,但是对于其磁性来源还颇有争议.用Cu掺杂ZnO晶体容易增加空位缺陷产生的几率,从而使ZnO:Cu体系产生磁性.因此,本文采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法对ZnO:Cu及其本征空位缺陷体系进行了理论研究,分别计算分析了ZnO:Cu超晶胞中相对Cu为近邻、次近邻、远近邻位置锌空位和氧空位的出现后体系的晶格结构、形成能、能带结构、态密度以及磁矩,以便准确合理地对其电磁特性进行判定.结果表明,ZnO:Cu远近邻VZn容易形成且其费米能级附近态密度较无缺陷体系增大,导电性增强;而含VO的缺陷体系禁带远远增大且变为间接带隙半导体,其费米能级处的态密度几乎不变或微弱减小,导电性无增强.Cu近邻VZn和VO的引入会导致ZnO:Cu掺杂系统的磁性相几乎或完全消失,但较远VO的出现无法显著改变磁性,较远VZn的出现使体系磁性增强.因此,在实验过程中要实现ZnO:Cu掺杂体系的良好电磁特性,应尽量避免Cu近邻VZn和VO的出现,而有效利用远近邻锌空位缺陷.     

运用第一性原理研究氧化锌电阻阀片中氧空位与掺杂条件下ZnO晶体电学性质

为了比较Nb_2O_5、MnO_2、MgO三种添加剂对氧化锌电阻阀片电学性能影响,在微观层面模拟Nb、Mn、Mg三种元素分别掺杂ZnO完整超晶胞和带有氧空位缺陷的ZnO超晶胞,并运用第一性原理分析掺杂晶胞的特性.本文计算了晶体结构、掺杂形成能、氧空位形成能、能带结构、态密度、载流子迁移率、电导率等.结果表明,掺入Nb原子的掺杂体系晶格体积最大,Mg掺杂体系的形成能最大,稳定性最弱,Nb掺杂氧空位形成能最低,更容易引入氧空位.Nb掺杂的ZnO超晶胞禁带宽度最小,氧空位缺陷增大掺杂晶体的禁带宽度.在相同掺杂浓度和同等条件下,Mn掺杂的晶体电导率最高.     

V高掺杂量对ZnO(GGA+U)导电性能和吸收光谱影响的研究

目前,在V高掺杂ZnO中,当V掺杂量摩尔数为0.03125—0.04167的范围内,掺杂量越增加,电阻率越增加或越减小的两种实验结果均有文献报道.为解决这个矛盾,本文采用密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,构建未掺杂ZnO,V高掺杂的Zn1-xVxO(x=0.03125,0.04167)两种超胞模型,首先,对所有体系进行几何结构优化,在此基础上,采用GGA+U的方法,计算所有体系的能带结构分布、态密度分布、吸收光谱分布.结果表明,当掺杂量摩尔数为0.03125—0.04167的范围内,V掺杂量越增加,掺杂体系体积越增加,总能量越下降,形成能越减小,掺杂体系越稳定,相对电子浓度越减小,迁移率越减小,电导率越减小,最小光学带隙越增加,吸收光谱蓝移越显著.计算结果与实验结果相一致.     

In-2N高共掺位向对ZnO(GGA+U)导电性能影响的研究

目前,虽然In和2N共掺对ZnO导电性能影响的实验研究均有报道,但是,In和2N共掺在ZnO中均是随机掺杂,没有考虑利用ZnO的单极性结构进行择优位向共掺.第一性原理的出现能够解决该问题.因此,本文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,计算了未掺杂ZnO单胞、不同位向高共掺In-2N原子的Zn1-xInxO1-yNy(x=0.0625,y=0.125)两种超胞模型的能带结构分布、态密度分布和吸收光谱分布.计算结果表明,高共掺In-N原子沿c轴取向成键的条件下,掺杂浓度越低,体系更稳定、带隙越窄、有效质量越小、迁移率越增加、相对自由空穴浓度越增加、电导率越增加、导电性能越理想.计算结果与实验结果相一致.这对设计和制备导电功能材料有一定的理论指导作用.     

第一性原理研究稀土掺杂ZnO结构的光电性质

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,运用Castep计算分析了Er, Gd两种稀土元素掺杂的ZnO结构, 对本征ZnO和掺杂晶体的能带结构、态密度以及光学性质进行了分析对比. 由掺杂前后的结果分析发现,稀土掺杂的ZnO结构引入了由稀土原子贡献的导电载流子, 增强了体系的电导率, 费米能级上移进入导带. 研究表明由于稀土元素的掺入, ZnO结构在费米能级附近出现了杂质能带, 这是由稀土的4f态电子所形成. 同时, 纯净ZnO与Er-ZnO, Gd-ZnO和(Er, Gd)-ZnO的介电函数虚部有明显的差异. 在光学性质上, 掺杂ZnO在可见光区的吸收系数和反射率都比纯净ZnO高, 能量损失峰出现红移现象. 关键词： ZnO 稀土 掺杂 第一性原理     

V高掺杂量对ZnO（GGA+$lt;em$gt;U$lt;/em$gt;）导电性能和吸收光谱影响的研究

目前,在V高掺杂ZnO中,当V掺杂量摩尔数为0.03125–0.04167的范围内,掺杂量越增加,电阻率越增加或越减小的两种实验结果均有文献报道. 为解决这个矛盾,本文采用密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,构建未掺杂ZnO,V高掺杂的Zn_1-xV_xO （x=0.03125,0.04167） 两种超胞模型,首先,对所有体系进行几何结构优化,在此基础上,采用GGA+U的方法,计算所有体系的能带结构分布、态密度分布、吸收光谱分布. 结果表明,当掺杂量摩尔数为0.03125–0.04167的范围内,V掺杂量越增加,掺杂体系体积越增加,总能量越下降,形成能越减小,掺杂体系越稳定,相对电子浓度越减小,迁移率越减小,电导率越减小,最小光学带隙越增加,吸收光谱蓝移越显著. 计算结果与实验结果相一致. 关键词： V高掺杂ZnO 电导率 吸收光谱 第一性原理     

高氧空位浓度对金红石TiO2导电性能影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了 纯的和不同高氧空位浓度金红石型TiO_2-x (x=0, 0.083, 0.125, 0.167, 0.25)超胞的能带结构分布、态密度分布.同时, 采用局域密度近似+U方法调准了带隙.结果表明, 高氧空位浓度越高, 金红石型TiO₂的最小带隙越变窄、电子有效质量越减小, 自由电子浓度越高, 电子迁移率越低、电导率越低.计算结果与实验结果的变化趋势相符合. 关键词： 高氧空位 2')" href="#">金红石型TiO₂ 电导率 第一性原理     

用GGA+U法研究稀土掺杂对ZnO电子结构磁性和光学性质的影响

基于自旋密度泛函理论框架下的广义梯度近似平面波模守恒赝势方法,确定了准确计算Zn_(16)O_(16)超晶胞各原子对应的U值;通过计算形成能和化学键的布局分析了掺杂结构的稳定性;通过原子电荷布局和自旋电子态密度的计算分析了掺杂结构的能带结构和磁性状态;讨论了各稀土原子掺杂对ZnO吸收光谱的影响.结果表明:稀土元素的引入使晶格膨胀,Zn-O键最长键增大而最小键减小,导致氧四面体畸变;Y/La/Ce掺杂的ZnO具有亚铁磁性,Th掺杂ZnO则呈弱铁磁性,Ac掺杂ZnO为顺磁体;稀土元素使ZnO的价带和导带下移,费米能级进入导带,增强了体系的电导率;Y/La/Ac掺杂对ZnO带隙宽度的影响较小,吸收光谱略微蓝移,而Ce/Th掺杂则有效提升了ZnO对可见光的吸收.     

Ga高掺杂对ZnO的最小光学带隙和吸收带边影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法, 建立了纯的和四种不同Ga掺杂量的ZnO超胞模型, 分别对模型进行了几何结构优化、能带结构分布、态密度分布和吸收光谱的计算. 结果表明, 在本文限定的Ga掺杂量2.08 at%–6.25 at%的范围内, 随着Ga掺杂量的增加, 掺杂后的ZnO体系体积变化不是很大, 但是, 掺杂体系ZnO的能量增加, 掺杂体系变得越来越不稳定, 同时, 掺杂体系ZnO的Burstein-Moss 效应越显著, 最小光学带隙变得越宽, 吸收带边越向高能方向移动. 计算结果和实验结果相一致. 关键词： Ga高掺杂ZnO 电子结构 吸收光谱 第一性原理     

V高掺杂ZnO最小光学带隙和吸收光谱的第一性原理研究

对于V高掺杂ZnO,当摩尔分数为0.0417—0.0625时,随着掺杂量的增加,吸收光谱出现蓝移减弱和蓝移增强两种不同实验结果均有文献报道.采用密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,构建未掺杂ZnO单胞模型、V高掺杂Zn1-xVxO(x=0.0417,0.0625)两种超胞模型,采用GGA+U方法计算掺杂前后体系的形成能、态密度、分波态密度、磁性和吸收光谱.结果表明,当V的掺杂量(原子含量)为2.083%—3.125%时,随着V掺杂量增加,掺杂体系磁矩增大,磁性增强,并且掺杂体系体积增加,总能量下降,形成能减小,掺杂体系更稳定,同时,掺杂ZnO体系的最小光学带隙增宽,吸收带边向低能级方向移动.上述计算结果与实验结果一致.     

Tl掺杂对InI禁带宽度和吸收边带影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,建立了未掺杂与不同浓度的Tl原子取代In原子的In1-xTlxI超胞模型,分别对模型进行了几何优化、能带分布、态密度分布和吸收光谱的计算.结果表明:Tl掺杂浓度越小,In1-xTlxI形成能越低,晶体结构越稳定;Tl的掺入使得InI体系导带向高能方向移动,而价带顶位置基本没变,导致禁带宽度变宽,InI吸收光谱出现明显蓝移现象.     

不同Yb掺杂浓度的ZnO的电子结构与光学特性

本文基于密度泛函理论(DFT)框架下的第一性原理计算方法,研究了不同Yb浓度掺杂ZnO体系的电子结构和光学性质.计算得到的结果证明,Yb掺杂ZnO后会造成电子结构和光学性质的明显改变.增加掺杂浓度使能带带隙逐渐变窄,其费米能级向上移动到导带,表现出n型半导体的特性;在Yb-4f态导带附近的带隙中产生了新的缺陷,同时观察到更好的吸收系数和折射率.因此,Yb掺杂ZnO对其电子性质和光学结构有很大的影响,为进一步深入了解掺杂ZnO性质的影响提供理论基础.     

Structures and electrical properties of pure and vacancy-included ZnO NWs of different sizes

The structures and electronic properties of Zn O nanowires(NWs) of different diameters are investigated by employing the first-principles density functional theory. The results indicate that the oxygen vacancy(VO) exerts a more evident influence on the band gap of the Zn O NWs. However, the effect will be weakened with the increase of the diameter. In addition, the energy band shifts downward due to the existence of VOand the offset decreases with the reduction of the VOconcentration. As the concentration of surface Zn atoms decreases, the conduction band shifts downward, while 2p electrons are lost in the oxygen vacancy, resulting in the split of valence band and the formation of an impurity level. Our findings agree well with the previous observations and will be of great importance for theoretical research based on Zn O NWs.     

空位浓度对纤锌矿BN电子结构和光学性质影响的第一性原理研究

本文采用了第一性原理研究了空位缺陷纤锌矿BN的电子结构和光学性质.通过对能带结构、态密度分析发现：缺陷体系由于B、N的缺失,费米能级附近出现杂质能级.相较于本征体系,随着空位浓度增加,杂质能级变多,跃迁能量减小. N空位缺陷的纤锌矿BN态密度总体向低能区移动,且能级相较于B空位缺陷的纤锌矿BN明显增多.从复介电函数和光学吸收谱分析中发现,随着空位浓度的增加,缺陷体系纤锌矿BN在可见光区域的吸收逐渐增强.尤其是B₂₂N₂₄在可见光区域出现的吸收效果更好.     

Al-N共掺杂金红石相TiO_2的第一性原理研究

本文采用了基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法对金红石相TiO_2进行了计算,其中内容包括未掺杂与单掺杂Al、单掺杂N以及共掺杂Al-N这四种不同情况下TiO_2的能带结构与态密度和光吸收系数的研究.计算结果表明:单掺杂Al和N时,均不同程度地改变了其能带结构,光吸收能力均有提高但效果不佳.在共掺杂Al-N时,TiO_2晶格常数产生了改变,并出现了新的杂质能级.由于杂质能级存在于TiO_2禁带范围内,减小了电子跃迁至导带所需能量,从而提高了其光吸收能力,其效果相对于单掺杂来说更有明显提高.