ⅢA族元素对闪锌矿ZnS可见光吸收的影响

ZnS能够用于光解水制氢，但是由于ZnS带隙较宽在一定程度上制约了可见光的吸收。本文采用密度泛函理论研究了ⅢA族元素对闪锌矿ZnS电子结构、制氢性能和光学性质的影响。研究结果表明：B、Al、Ga、In替位Zn后的结构容易形成，而Tl替位Zn的结构不易形成。B、Al、Ga、In掺杂ZnS后能够明显减小ZnS的带隙宽度，这有助于吸收和利用可见光。并且B、Al、Ga、In掺杂ZnS后满足光水解制氢的条件，因此可以用于光解制氢。     

ⅢA族元素对闪锌矿ZnS可见光吸收的影响（英文）

ZnS能够用于光解水制氢,但是由于ZnS带隙较宽在一定程度上制约了可见光的吸收.本文采用密度泛函理论研究了ⅢA族元素对闪锌矿ZnS电子结构和光学性质的影响.研究结果表明:B、Al、Ga、In替位Zn后的结构容易形成,而Tl替位Zn的结构不易形成.另外掺杂体系有助于可见光的吸收,并且带边满足光水解制氢的条件,因此B、Al、Ga、In元素掺杂闪锌矿ZnS是潜在的光解催化制氢材料.     

N-S共掺杂金红石相TiO2电子结构与光学性质的第一性原理研究

采用基于第一性原理的平面波超软赝势方法研究N和S单掺杂以及N和S共掺杂金红石相TiO2的能带结构,态密度和光学性质.结果表明:N掺杂导致禁带宽度减小为1.43 eV,并且在价带上方形成了一条杂质能带;S掺杂导致费米能级上移靠近导带,直接带隙减小为0.32 eV;N和S共掺杂导致能带结构中出现了两条杂质能带,靠近导带的一条杂质能级距离导带底约0.35 eV,靠近价带的一条杂质能级距离价带顶约0.85 eV,杂质能级主要由N原子的2p轨道和S原子的3p轨道组成.N和S掺杂后不但使TiO2的吸收带产生红移,而且在可见光区具有较大的吸收系数,光催化活性增强.     

ZnS电子结构及电性能应力效应的研究

基于广义梯度近似平面电子波函数密度泛函理论计算的方法研究了无压力下和在1GPa外压应力下闪锌矿结构ZnS的能带结构、电子状态密度、结合状况和介电性能。结果表明在外加1GPa压力时闪锌矿结构ZnS晶格常数由2.7605Å减小到2.7049Å,对称性不变。在外压1GPa应力下ZnS仍呈直接带隙的能带结构,带隙宽度较未加压力时减小到1.698eV。在外加1GPa压应力下ZnS费米能附近的载流子浓度大大增加,更容易发生跃迁而产生电迁移和光电现象。外加1GPa压力时Zn-S键长由2.3905Å减小到2.3405Å,Zn-S成键数量由1.820个增加到1.860个。ZnS硫化物在紫外和可见光波段主要存在四个介电吸收峰,外加1GPa压应力下位于170nm和210nm附近的直接跃迁介电吸收峰强度降低。     

Ge,Al掺杂锰硅化和物Mn4Si7的第一性原理计算

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法,对本征Mn₄Si₇以及Ge, Al单掺杂和共掺杂Mn₄Si₇的晶体结构,能带结构,态密度以及光学性质进行了计算和分析.计算结果表明:本征态Mn₄Si₇的禁带宽度为0.810 eV,为直接带隙半导体材料,掺杂后晶体结构稍微变化,禁带宽度减小,且共掺杂时禁带宽度最小,电导率最好.Al以及Ge, Al共同掺杂时会产生杂质能级.掺杂后光子能量向低能级方向移动,光电导率,光吸收,反射系数都有所增大,说明掺杂改善了Mn₄Si₇的光学性质,从而可以提高光伏发电效率.     

Ti和Al共掺杂ZnS的电子结构和光学性质

基于密度泛函理论的第一性原理研究Ti和Al单掺杂和(Ti,Al)共掺杂ZnS的能带结构、电子态密度分布、介电函数、光学吸收系数,分析了掺杂后电子结构与光学性质的变化.计算结果表明:掺杂后禁带中引入了新的杂质能级,费米能级进入导带.掺杂改变了ZnS晶体的导电特性,使它表现出金属特性,导电性能增强;与纯净ZnS相比,Ti单掺杂和(Ti,Al)共掺杂ZnS的吸收边均出现明显的红移,且在1.79eV左右出现了一个新峰;而Al单掺杂ZnS的吸收边则发生明显的蓝移,且不产生新的吸收峰.     

Co-Cr共掺杂金红石型TiO_2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,采用第一性原理赝势平面波方法计算了Co、Cr单掺杂以及Co-Cr共掺杂金红石型TiO2的能带结构、态密度和光学性质.计算结果表明:纯金红石的禁带宽度为3.0eV,Co掺杂金红石型TiO2的带隙为1.21eV,导带顶和价带底都位于G点处,仍为直接带隙,在价带与导带之间出现了由Co 3d和Ti 3d轨道杂化形成的杂质能级;Cr掺杂金红石型TiO2的直接带隙为0.85eV,在价带与导带之间的杂质能级由Cr 3d和Ti 3d轨道杂化轨道构成,导带和价带都向低能级方向移动;Co-Cr共掺杂,由于电子的强烈杂化,使O-2p态和Ti-3d态向Co-3d和Cr-3d态移动,使价带顶能级向高能级移动而导带底能级向低能方向移动,极大地减小了禁带的宽度,也是共掺杂改性的离子选择依据.掺杂金红石型TiO2的介电峰、折射率和吸收系数峰都向低能方向移动;在E2.029eV的范围内,纯金红石的ε2、k和吸收系数为零,掺杂后的跃迁强度都大于未掺杂时的跃迁强度,Co-Cr共掺杂的跃迁强度大于Co掺杂及Cr掺杂,说明Co、Cr共掺杂更能增强电子在低能端的光学跃迁,具有更佳的可见光催化性能.     

Al、N共掺杂实现p-型ZnS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,计算了闪锌矿ZnS、N掺杂以及Al、N共掺杂ZnS晶体的电子结构,分析了N掺杂以及Al和N共掺杂ZnS晶体的能带结构、电子态密度以及Mulliken电荷分布。计算结果表明：N掺杂ZnS在能带中引入了深受主能级,N原子的2p态在价带顶提供了空穴载流子,载流子局域于价带顶附近;Al和N共掺使得受主能级变宽,非局域化特征明显,提高了掺杂浓度和系统的稳定性,更加有利于获得p-型ZnS。     

Ge，Al掺杂锰硅化合物Mn4Si7的第一性原理计算

基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算方法,对本征Mn4Si7以及Ge,Al单掺杂和共掺杂Mn4Si7的晶体结构,能带结构,态密度以及光学性质进行了计算和分析.计算结果表明：本征态Mn4Si7的禁带宽度为0.810 eV,为直接带隙半导体材料,掺杂后晶体结构稍微变化,禁带宽度减小,且共掺杂时禁带宽度最小,电导率最好.Al以及Ge,Al共同掺杂时会产生杂质能级.掺杂后光子能量向低能级方向移动,光电导率,光吸收,反射系数都有所增大,说明掺杂改善了Mn4Si7的光学性质,从而可以提高光伏发电效率.     

单层haeckelites结构Ⅲ族金属硫族化合物MX(M=Al,Ga,In;X=S,Se,Te)

通过详尽的第一性原理计算,提出了一类新型的二维III族金属硫族化合物MX (M=Al, Ga, In; X=S,Se, Te)的同素异形体.这类化合物的结构是由正方形和八边形环构成的.计算得到的结合能和声子谱表明,所有的结构都同时具有能量和动力学稳定性.所有结构都是间接带隙半导体,其带隙大小随X原子由S到Se到Te的变化而减小.计算结果表明这类材料具有很广的带隙范围,从1.88到3.24 eV,同时它们的能带结构可以通过双轴应变进一步调节.这些结构具有丰富的电子结构性质和可调的带隙,有可能被用于未来纳米电子学领域.     

Visible light absorption of (Fe,C/N) co-doped NaTaO_3: DFT+U

The effects of Fe–C/N co-doping on the electronic and optical properties of NaTaO_3 are studied with density functional theory. Our calculations indicate that mono-doped and co-doped sodium tantalate are both thermodynamically stable.The co-doping sodium tantalate can reduce the energy band gap to a greater degree due to the synergistic effects of Fe and C(N) atoms than mono-doping sodium tantalate, and has a larger optical absorption of the whole visible spectrum. The band alignments for the doped NaTaO_3 are well positioned for the feasibility of hydrogen production by water splitting. The Fe–C co-doping can enhance the absorption of the visible light and its photocatalytic activity more than Fe–N co-doping due to the different locations of impurity energy levels originating from their p–d hybridization effect.     

Effect of non-metallic X(X=F,N, S) and Cr co-doping on properties of BiFeO3: A first-principles study

In this study, the structural, magnetic, electric and optical properties in X (X=F, N, S) and Cr co-doped BiFeO₃ (BFO) are calculated using the density functional theory. For Cr–X co-doping case, the structure of BFO undergo a phase transition from monoclinic to triclinic structure accompanying net magnetic moments of 5.92 μB, 6.04 μB and 7.80 μB, for Cr–F co-doping, Cr–N co-doping and Cr–S co-doping, respectively. The underlying physical mechanisms are the lattice distortions tunned by doping. The decreased Fe–O–Fe bond angles and Fe–O bond lengths will bring weak antiferromagnetism superexchange interaction. In addition, the band gaps of Cr–X co-doping cases are decreased from 2.20 eV (BFO bulk) to 1.31 eV and 1.80 eV for Cr–F co-doping and Cr–S co-doping, respectively, which are well for photovoltaic applications according to the well-known Shockley-Queisser criterion, suggesting a possible great improvement optical properties in Cr–X co-doped samples.     

Electronic structure and optical properties of Al and Mg co-doped GaN

The electronic structure and optical properties of Al and Mg co-doped GaN are calculated from first principles using density function theory with the plane-wave ultrasoft pseudopotential method.The results show that the optimal form of p-type GaN is obtained with an appropriate Al:Mg co-doping ratio rather than with only Mg doping.Al doping weakens the interaction between Ga and N,resulting in the Ga 4s states moving to a high energy region and the system band gap widening.The optical properties of the co-doped system are calculated and compared with those of undoped GaN.The dielectric function of the co-doped system is anisotropic in the low energy region.The static refractive index and reflectivity increase,and absorption coefficient decreases.This provides the theoretical foundation for the design and application of Al–Mg co-doped GaN photoelectric materials.     

C-Mg掺杂GaN电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论第一性原理的方法,计算了GaN、C单掺、Mg单掺和C-Mg共掺体系的电子结构和光学性质,计算结果表明:掺杂后,GaN体系的晶格发生畸变,有利于光生空穴-电子对的分离,C-Mg共掺体系结构最稳定,掺杂体系的禁带宽度均减小,其中C-Mg共掺体系的禁带宽度最小,在禁带中引入了杂质能级,说明掺杂可有效降低电子跃迁所需的能量.在光学性质方面,掺杂后,GaN在低能区介电峰和吸收峰均发生红移,且静介电常数增大;其中C-Mg共掺体系的对可见光的吸收最强,极化能力最强,因此C-Mg共掺将有望提高GaN在光催化性能和极化能力.     

Tailoring the photocatalytic activity of WO3 by Nb-F codoping from first-principles calculations

In this letter, the electronic structure properties of Nb, F monodoping and Nb-F codoping are explored by first-principles calculations. Our results show that Nb-F codoping can reduce the band gap notably. The band edge analysis indicates that both conduction band maximum (CBM) and valence band minimum (VBM) move to higher energies, which is desirable for water splitting. The formation energy and pair binding energy calculation shows that this anion-cation codoping is easy to realize in both O-rich and O-poor conditions. The calculated optical absorption spectra indicate that the visible light absorption can be significantly improved by Nb-F codoping in WO₃. Therefore, Nb-F co-doped WO₃ is predicted to be a promising visible light photocatalyst for water splitting.     

Cu与非金属双受主能级协同作用对TiO2光学特性的影响

采用基于密度泛函理论（DFT）体系下的第一性原理平面波超软赝势方法,研究纯锐钛矿相TiO₂在3d金属杂质Cu与非金属杂质C、N、F单掺及共掺情况下受主能级的协同作用.模拟计算掺杂前后的晶体结构、结合能、缺陷形成能、能带结构、分态密度及光学性质.结果发现：Cu-N共掺杂体系和Cu、N单掺杂体系对可见光的利用比其它体系好.Cu-N共掺体系与Cu、N分别单掺体系相比,有更小的禁带宽度,且浅受主能级上出现了更大的态密度分布.对光学性质的研究发现,Cu-N共掺体系有最高的吸收系数和反射率,因此,该体系对可见光的利用效果最好.其原因是Cu与N元素分别产生受主能级协同作用导致对可见光的响应效果最理想.     

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.     

Cr和C共掺TiO_2的电子结构和光学性质的研究

利用第一性原理计算,研究了Cr与C共掺锐钛矿型TiO_2的能带的结构,态密度和光学性质.我们构建了两种不等价的Cr与C紧邻共掺体系:CrC_1-TiO_2和CrC_2-TiO_2.CrC_1-TiO_2体系在价带上方出现了主要由C-2p轨道和Cr-3d轨道耦合成的子带.同时,由于姜-泰勒变形效应,Cr-3d轨道的t_(2g)轨道进一步分裂的成Cr-3d_(yz)轨道在导带底形成附加带,有效带隙较纯TiO_2相比变窄了0.84eV.CrC_2-TiO_2体系带隙中有深带隙态存在,由于深间隙态的存在,价带顶到深带隙的能量宽度为0.84eV,电子从价带顶转移到导带底的所需要的能量将大大减小.最后,我们对纯TiO_2和Cr与C紧邻共掺TiO_2的光学特性进行了计算.结果显示Cr与C共掺TiO_2的光学吸收谱都有很好的可见光区域分布,大大提高了太阳光的利用率.     

Ce和O空位共掺杂TiO_2的电子结构与光学性质

采用基于密度泛函理论加U的计算方法,研究了Ce和O空位单(共)掺杂锐钛矿相TiO_2的电子结构和光吸收性质.计算结果表明,Ce和O空位共掺杂TiO_2的带隙中出现了杂质能级,且带隙窄化为2.67 eV,明显比纯TiO_2和Ce,O空位单掺杂TiO_2的要小,因而可提高TiO_2对可见光的响应能力,使TiO_2的光吸收范围增加.光吸收谱显示,掺杂后TiO_2的光吸收边发生了显著红移;在400.0—677.1 nm的可见光区,共掺杂体系的光吸收强度显著高于纯TiO_2和Ce单掺杂TiO_2,而略低于O空位单掺杂TiO_2.此外,Ce掺杂TiO_2中引入O空位后,TiO_2的导带边从-0.27 eV变化为-0.32 eV,这表明TiO_2的导带边的还原能力得到了加强.计算结果为Ce和O空位共掺杂TiO_2在可见光光解水方面的进一步研究提供了有力的理论依据.