Sr掺杂对CaMnO_3基氧化物电子性质及热电输运性能的影响

采用密度泛函理论计算分析的方法研究了Ca位Sr掺杂的CaMnO_3基氧化物的电子性质和电性能;采用柠檬酸溶胶-凝胶法结合陶瓷烧结制备工艺制备了Ca位Sr掺杂的CaMnO_3基氧化物块体试样,分析研究了所得试样的热电传输性能.结果表明,Sr掺杂CaMnO_3氧化物仍然呈间接带隙型能带结构,带隙宽度由0.756 eV减小到0.711 eV.Sr掺杂CaMnO_3氧化物费米能级附近的载流子有效质量均得到调控,载流子浓度也有所增大.Sr比Ca具有更强的释放电子能力,其掺杂在CaMnO_3氧化物中表现为n型.Sr掺杂的CaMnO_3基氧化物材料电阻率大幅度降低,Seebeck系数绝对值较本征CaMnO_3基氧化物材料有一定程度的增大,Sr掺杂量为0.06和0.12的Ca_(1-x)Sr_xMnO_3(x=0.06,0.12)试样,其373 K的电阻率分别降低至本征CaMnO_3基氧化物材料的25%和21%,其373 K的Seebeck系数绝对值分别是本征CaMnO_3基氧化物材料的112.9%和111.1%,Sr掺杂有效提高了CaMnO_3基氧化物材料的热电性能.     

碳掺杂ZnO的电子结构和光学性质

采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算研究碳掺杂ZnO的电子结构和光学性质.计算结果表明：C原子替代O原子和C原子替代Zn原子两种掺杂体系的电子结构存在明显差异,这主要是由于C原子的电子分布及对周围原子的影响不同;碳掺杂ZnO光学性质的变化集中在低能量区,而高能量区的光学性质没有明显变化.结合电子结构定性解释了光学性质的变化. 关键词： ZnO 碳掺杂 电子结构 光学性质     

W-Cu共掺杂ZnO电子结构和光学性质

采用了基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了本征ZnO, W单掺杂ZnO, Cu单掺杂ZnO,以及W-Cu共掺杂ZnO电子结构和光学性质.计算结果表明:W掺杂属于n型掺杂, Cu掺杂属于p型掺杂,单掺杂均可以提高ZnO的载流子浓度,从而改善ZnO的导电性. W-Cu共掺杂时ZnO进入简并状态,呈现金属性质.三种掺杂ZnO的吸收光谱均发生红移,其中W-Cu共掺杂时, ZnO对太阳光谱的吸收效果最好.     

二价金属元素掺杂对LiCoO2体系电子输运性质的影响

为了解释Ca掺杂与Mg掺杂在影响锂离子二次电池正极材料LiCoO2体系电子输运性质方面的不同效应,采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了该体系的电子结构.计算结果表明,虽然在LiCoO2体系中用Ca或Mg替代Co都会在费米能级附近产生部分占据的受主带,但两者对应的电子态都具有明显的局域化特征;此外,与Mg掺杂体系明显不同的是,Ca掺杂体系的受主带与价带之间存在清晰的带隙.这一带隙的存在正是Ca掺杂不能明显提高LiCoO2体系电导率的主要原因.此外,Ca2+与Mg2+离子半径的较大差别也是造成这两个掺杂体系的电导率存在明显差异的一个重要因素.     

Ga掺杂ZnO的电子结构与电性能的研究

采用密度泛函理论广义梯度近似第一性原理计算的方法研究了n型Ga掺杂的纤锌矿结构氧化物ZnO的晶格结构、能带结构和态密度,在此基础上分析了其电性能.计算结果表明,掺杂ZnO氧化物晶格a,b轴增大,c轴略有减小;Ga掺杂ZnO氧化物两能带之间具有0.6eV的直接带隙,需要载流子(电子)跃迁的能隙宽度较未掺杂的ZnO氧化物减小;掺杂体系费米能级附近的态密度大大提高,其能带主要由Gas态、Zns态和Os态电子构成,且他们之间存在着强相互作用,其中Gas态电子对导带贡献最大.电输运性能分析结果表明,Ga掺杂ZnO氧化物导电机构由Znp-Op电子在价带与导带的跃迁转变为Gas-Znd-Os电子在价带与导带的跃迁,这也表明Gas态电子在导电过程中的重要作用;掺杂体系费米能级附近的载流子有效质量较未掺杂体系增大,且价带中的载流子有效质量较大,导带中的载流子有效质量较小.     

W掺杂ZnO电子结构与光学性质第一性原理计算

采用了基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法,计算本征ZnO和不同W掺杂浓度下W:ZnO体系的电子结构和光学性质.计算结果表明:W掺杂可以提高ZnO的载流子浓度,从而改善ZnO的导电性.掺杂后,吸收光谱发生红移现象,且光学性质变化集中在低能量区,而高能量区的光学性质没有太大变化,计算结果与相关实验结果相符合.最后,结合电子结构定性分析了光学性质的变化.     

Li掺杂ZnO系统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,计算了Li掺杂Zn O系统的电子结构和光学性质。结果表明,随着掺杂浓度的增大,带隙线性增大,吸收边蓝移。由于杂质吸收,掺杂系统在可见光区附近产生了新的吸收峰,适度掺杂可以提高可见光的吸收率,改善系统的光催化特性。     

Cu-Fe共掺杂ZnO电子结构与光学性质的第一性原理计算研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了本征ZnO,Cu、Fe单掺杂和Cu-Fe共掺杂ZnO的电子结构和光学性质.计算结果显示:Cu掺杂属于p型掺杂,Fe掺杂属于n型掺杂,单掺杂时Cu-3d态电子和Fe-3d态电子均在禁带形成杂质能级,从而提高ZnO的载流子浓度,改善ZnO的导电性能,而Cu-Fe共掺杂时ZnO半导体进入简并态,呈现金属特性.掺杂后的ZnO介电函数虚部变化主要集中在低能量区域,光谱吸收系数及反射率曲线发生红移,其中本征ZnO对太阳光谱有较好的透射性,Fe单掺杂和Cu-Fe共掺杂ZnO对可见光谱有相似的吸收效果,而Fe单掺杂ZnO对近紫外区域的光谱透射率更小,适用于制备防紫外线薄膜.     

不同浓度Ag掺杂ZnO电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法,研究了不同浓度Ag掺杂ZnO体系的电子结构和光学性质。计算结果表明,不同浓度Ag原子代替Zn原子后会导致电子结构和光学性质有显著的改变,能带随掺杂浓度的增大带隙渐渐变窄,光吸收、反射等也随银掺杂浓度的增大先是向高能端偏移再向低能端移动。这暗示Ag掺杂ZnO对其电子结构及光学性质有很大的影响,为进一步研究掺杂对ZnO性质的影响提供理论基础。     

Al-N共掺杂ZnO电子结构和光学性质

基于密度泛函理论的第一性原理,分析了Al-N共掺杂ZnO的电子结构和光学性质。计算了Al-N复合体共掺ZnO的结合能,发现Al-N复合体可以在ZnO中稳定存在,因此Al-N共掺可以提高N在ZnO的固溶度。研究表明:N掺杂ZnO体系,由于N-2p和Zn-3d态电子轨道杂化作用,在费米能级附近引入深受主能级,价带顶和导带底发生位移,导致禁带宽带变窄。而Al-N共掺杂体系,适当控制Al和N的比例,克服了N单掺杂时受主间的相互排斥,降低了受主能级,对改善ZnO的p型掺杂有重要意义。在Al-N共掺ZnO中,Al的引入,导致共掺体系的禁带宽度减小,吸收带边红移,实验现象证实了这一结果。     

Bi掺杂ZnO光电性能的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,利用Material studio程序包中的Castep模块计算研究不同浓度Bi原子掺杂对ZnO电子结构和光学性能的影响.研究表明：不同Bi原子数的掺杂,对ZnO禁带宽度影响的变化趋势不一致.Bi掺杂ZnO的介电函数虚部峰值变大,并向低能量方向红移;高能量区域的吸收峰、反射峰和能量损耗峰随着掺杂原子的增多逐渐减小,透光性增强.掺杂样品在可见光和紫外光的吸收系数和反射系数均显著提高,可促进ZnO材料对可见光的有效利用.     

Van der Pauw Hall Measurement on Intended Doped ZnO Films for p-Type Conductivity

A Van der Pauw Hall measurement is performed on the intended doped ZnO films （Na doped ZnO） grown by using the molecular beam epitaxial method. All as-grown samples show n-type conductivity, whereas the annealed samples （annealing temperature 900℃） show ambiguous carrier conductivity type （n- and p-type） in the automatic Van der Pauw Hall measurement. A similar result has been observed in Li doped ZnO and in as-doped ZnO films by other groups before. However, by tracing the Hall voltage in the Van der Pauw Hall measurement, it is found that this alternative appearance of both n- and p-type conductivity is not intrinsic behavior of the intended doped ZnO films, but is due to the persistent photoconductivity effect in ZnO. The persistent photoconductivity effect would strongly affect the accurate determination of the carrier conductivity type of a highly resistive intended doped ZnO sample.     

锂掺杂氧化锌复合缺陷电子结构的杂化密度泛函研究

利用第一原理计算以及杂化密度泛函方法研究了锂掺杂氧化锌的各种缺陷态的电子结构,并通过缺陷形成能考察其在不同气氛中的能量稳定性. 计算结果表明,在通常的气氛条件下,锂离子占据间隙位置和锂离子替换锌离子形成的复合缺陷具有最低的形成能. 锂掺杂氧化锌中,复合缺陷对的形成使氧化锌很难实现p型导电. 然而,当气氛从富锌环境转变到极端氧环境时,锂替代锌离子的缺陷将更加稳定,其形成能将低于锂间隙和锂替代锌复合缺陷的形成能. 因此,锂掺杂氧化锌可以通过在氧气氛中生长,或在富含氧气气氛中退火得到有效的p型电导.     

La、Ce掺杂ZnO纳米晶的发光特性

共沉淀法制备了稀土镧、铈掺杂的ZnO半导体纳米晶。X射线衍射(XRD)结果表明:掺杂的ZnO纳米晶为六方纤锌矿结构,随掺杂浓度增加ZnO粒径减小。对铈掺杂纳米ZnO,以波长380nm激发,在443nm处出现了半峰宽较窄的强的蓝光发射峰;镧掺杂ZnO纳米晶则为从418~610nm的多峰宽带发射。     

扩散掺杂的p型ZnO薄膜的光学性质研究

采用原子层沉积技术(atomic layer deposition)在InP衬底上生长ZnO薄膜,并在不同温度下(500和700 ℃)进行热退火处理,将P掺杂进入ZnO,得到p型ZnO薄膜。样品的光学特性通过光致发光光谱(photoluminescence, PL)来测定,得出热退火温度是影响P扩散掺杂的重要因素,低温PL光谱中,700 ℃热退火1 h样品的光谱展现出四个与受主相关的发射峰：3.351,3.311,3.246和3.177 eV,分别来自受主束缚激子的辐射复合(A°X)、自由电子到受主的发射(FA)、施主受主对的发射(DAP)以及施主受主对的第一纵向声子伴线(DAP-1LO),计算得到受主束缚能为122 meV,与理论计算结果一致。通过热扩散方式实现了ZnO薄膜的p型掺杂,解决了制约ZnO基光电器件发展的主要问题, 对ZnO基半导体材料及其光电器件的发展有重要意义。     

Ag掺杂p型ZnO薄膜及其同质结的光电性质

采用磁控溅射技术在Si基片上生长了Ag掺杂的ZnO薄膜,XRD测试表明所得薄膜结晶性质良好,未出现Ag的分相。未掺杂和Ag掺杂氧化锌薄膜的低温(10K)光致发光(PL)谱显示:Ag的掺入使得中性施主束缚激子发射(D0X)显著减弱,并且在3.315eV处观测到了与Ag有关的施主-受主对(DAP)发射,受主缺陷的形成归因于掺入的Ag替位Zn。计算得到受主能级离价带顶约110meV。霍尔效应测得电阻率约0.1Ω.cm,迁移率约36cm2/V.s,空穴浓度约1.7×1018cm-3。在此基础上制备了ZnO∶Ag/ZnO的同质结,I-V测试显示了明显的整流特性,且反向漏电流很小。所有结果表明Ag掺杂的氧化锌薄膜已经转化为p型。     

层状半导体WSe2的电子结构和各向异性光学性质研究

采用第一性原理密度泛函理论研究了六角层状晶体 WSe2 的电子结构和各向异性光学性质. 结果表明:WSe2 为间接带隙半导体, 带隙值为1 .44 eV, 略小于实验值(1 .51 eV) ; 价带和导带均主要由 W-5d 和Se-4p 电子构成, 在价带顶(0~2eV) 及导带底(1 .5 ~3.5 eV) , W-5d 和 Se-4p 电子杂化明显, 形成共价键. 介电函数的虚部和实部均表现出明显的各向异性,εi (xx ) 有一个明显的介电吸收峰, 而εi (zz ) 却有两个明显的介电吸收峰; WSe2 晶体对zz 光的低频透明区的能量范围几乎是xx 光的2 倍, 应用 WSe2 晶体的这一特性可以制备不同要求的偏振片.     

Mechanical Anisotropic and Electronic Properties of Amm2-carbon under Pressure

Structural, electronic properties and mechanical anisotropy of Amm2-carbon are investigated utilizing first-principles calculations by Cambridge Serial Total Energy Package(CASTEP) code. The work is performed with the generalized gradient approximation in the form of Perdew–Burke–Ernzerhof(PBE), PBEsol, Wu and Cohen(WC) and local density approximation in the form of Ceperley and Alder data as parameterized by Perdew and Zunger(CA-PZ).The mechanical anisotropy calculations show that Amm2-carbon exhibit large anisotropy in elastic moduli, such as Poisson's ratio, shear modulus and Young's modulus, and other anisotropy factors, such as the shear anisotropic factor and the universal anisotropic index AU. It is interestingly that the anisotropy in shear modulus and Young's modulus,universal anisotropic index and the shear anisotropic factor all increases with increasing pressure, but the anisotropy in Poisson's ratio decreases. The band structure calculations reveal that Amm2-carbon is a direct-band-gap semiconductor at ambient pressure, but with the pressure increasing, it becomes an indirect-band-gap semiconductor.