C-X(X=Y,Zr)共掺杂SnO2电子结构的第一性原理研究

基于第一性原理方法研究了C单掺杂SnO2和C-X(X=Y,Zr)共掺杂SnO2的能带结构、态密度以及分电荷分布.结果表明:C掺杂、C-Y、C-Zr共掺杂SnO2的带隙值分别为1.109 eV、1.86 eV、1.214 eV,较超胞结构的带隙值降低,有利于电子的跃迁;C-Y共掺杂SnO2的导带底部有3条杂质能级分离出来,C-Zr共掺杂SnO2的能带价带顶部能级中有3条能级分离出来,其中1条能级贯穿费米能级;C-Y,C-Zr共掺杂SnO2的态密度中在低能区会产生1个态密度峰值,部分态密度的峰值由Y、Zr的d轨道贡献;C-Y、C-Zr共掺杂SnO2会打破SnO2电子平衡状态,致使电荷的重新分布.     

稀土元素与In共掺对SnO2导电性能影响的第一性原理研究

AgSnO2触头材料中的SnO2近乎绝缘,为了提高触头材料的电性能提出了稀土材料La、Ce、Y和In共掺杂的方法.采用基于密度泛函的第一性原理对SnO2以及单掺杂稀土元素的SnO2和共掺稀土元素和In的SnO2晶胞进行能带和态密度的计算.结果表明:掺杂后的材料仍旧是直接带隙半导体材料,都具有热稳定性,共掺杂可以进一步使得导带底、价带顶向费米能级附近移动,进而窄化带隙;共掺杂比单掺的电子有效质量小,电导率大,其中Y和In共掺杂的导电性最好.共掺杂比单掺稀土元素更能提高AgSnO2触头材料的导电性,为触头材料的发展提供了理论依据.     

基于第一性原理的Au、Cu、Sb掺杂CdTe的结构模拟和光学性能预测

基于密度泛函理论研究了Au、Cu、Sb掺杂CdTe体系的电子结构和光学性能。Au、Cu、Sb掺杂CdTe体系均能稳定存在，过渡金属原子与Cd原子轨道的杂化减小了CdTe的带隙，提高了CdTe对可见光的利用，同时降低了光生电子从价带跃迁到导带所需的能量，从而促进了更多的光生电子发生迁移，大大提高了其光学性能。三种掺杂体系中Sb/CdTe体系在可见光范围内光吸收系数提升最显著，其光生电子和光生空穴迁移率相对于CdTe体系分别增加5.97倍和15.54倍。通过计算掺杂体系的能带、态密度、电子布居、光吸收函数、载流子迁移率，从理论上揭示了Au、Cu、Sb提高CdTe光学性能的机理。     

稀土元素Sm与C共掺SnO2的电子结构和光学性质的第一性原理研究

利用第一性原理密度泛函理论,计算了Sm-C共掺SnO2体系的能带结构、能态密度、光学性质.计算结果表明:Sm-C近邻共掺体系的晶胞的结构比较稳定.在电子结构方面,共掺体系的禁带宽度值最小,表明电子从价带激发到导带所需的能量最小.在光学性质方面,掺杂体系都发生了红移,其中Sm-C共掺体系的红移程度最大,增强了对可见光的响应范围;在可见光区,掺杂体系的反射系数、静态介电常数、静态折射率的值都大于纯SnO2,且Sm-C共掺杂体系的值最大.     

Na掺杂对TiO2基材料电子结构、电子迁移特性及光吸收性质的影响

在赝势法密度泛函理论的基础上,系统研究了Na掺杂对TiO2基材料电子结构、载流子迁移和光吸收性质的影响.纯的TiO2基晶态材料呈现宽的直接带隙,其带隙宽度达2.438 eV,Na掺杂降低了TiO2基晶态材料的带隙至1.976 eV.纯的TiO2电子主要形成五个能带,而Na掺杂TiO2主要形成七个能带.TiO2材料的载流子迁移率较Na掺杂TiO2材料高,而Na掺杂TiO2材料载流子有效质量较TiO2的高.Na掺杂在TiO2材料价带中引入空穴和新的能级.Na掺杂大大提高了TiO2材料的载流子浓度,Ti中的p态电子,Na中的p态电子和O中的p态电子在导电过程中起着关键作用.Na掺杂TiO2材料的低能量光吸收限降低.     

Ni、Mo共掺杂对SnO2材料性能影响的仿真研究

针对AgSnO₂触头材料存在的不足,采用基于密度泛函理论的第一性原理对SnO₂、Ni单掺杂、Mo单掺杂以及Ni-Mo共掺杂SnO₂材料进行了电性能与力学性质的研究,计算了各体系的形成能、能带结构、态密度、弹性常数等各项参数。结果表明,掺杂后的材料可以稳定存在,且仍为直接带隙半导体材料。与未掺杂相比,掺杂后体系的能带结构带隙值减少,其中Ni-Mo共掺杂时的带隙值最小,载流子跃迁所需能量减少,极大地改善了SnO₂的电性能;由弹性常数计算了剪切模量、体积模量、硬度等参数,其中Ni-Mo共掺杂时的硬度大幅降低,韧性增强,有利于AgSnO₂触头材料后续加工成型,且其普适弹性各向异性指数最小,不易形成裂纹。综合各项因素,Ni-Mo共掺杂能够很好地改善SnO₂的性能,为触头材料的发展提供了理论指导。     

S-La共掺杂ZnO性能的第一性原理研究

采用基于广义梯度近似的第一性原理方法,研究了纯ZnO、S单掺、La单掺和S-La共掺ZnO的能带结构、态密度和光学性质。S单掺ZnO后,价带和导带同时向低能量转移,导致带隙减小。La单掺ZnO后在导带底产生杂质能级使得带隙减小。S-La共掺ZnO导致La的局部化减弱,表明La形成的施主能级由于S的3p态的影响变得更浅,从而减小了带隙。和纯ZnO相比,掺杂后的ZnO吸收系数和反射系数都减小,导致透射能力增强,为ZnO作为透明导电氧化物应用于太阳能电池提供了潜在的理论依据。     

P和As掺杂Mn4Si7第一性原理计算

采用第一性原理计算方法,对本征Mn₄Si₇以及P和As掺杂的Mn₄Si₇的电子结构和光学性质进行计算解析。计算结果表明本征Mn₄Si₇是带隙值为0.810 eV的间接带隙半导体材料,P掺杂Mn₄Si₇的带隙值增大为0.839 eV,As掺杂Mn₄Si₇的带隙值减小为0.752 eV。掺杂使得Mn₄Si₇的能带结构和态密度向低能方向移动,同时使得介电函数的实数部分在低能区明显增大,虚数部分几乎全部区域增加且8 eV以后趋向于零。此外掺杂还增加了高能区的消光系数、吸收系数、反射系数以及光电导率,明显改善了Mn₄Si₇的光学性质。     

Sn1-xNxO2材料光电性质的研究

基于密度泛函理论的第一性原理,采用广义梯度近似(GGA)下的线性缀加平 面波(FP-LAPW)方法,应用WIEN2K软件计算了超晶胞结构Sn1-xNxO2材料的总态密度、能带结构和光学折射率及介电函数虚部.计算结果表明掺杂后费米能级向低能方向移动,随着掺杂量的增加,Sn1-xNxO2材料的价带和导带的分裂程度增强,禁带宽度逐渐减小,并且在1.35～ 2.50 eV的能量范围上形成了杂质带,其主要来源是N的2p态上的电子.分析Sn1-xNxO2材料的能带结构可知掺杂前后均是直接跃迁半导体,掺杂后其介电函数谱和折射率也与带隙相对应地发生红移,介电谱的跃迁峰与电子从价带到导带的跃迁有关,从理论上指出光学性质与电子结构之间的内在关系.     

Ce、N共掺杂锐钛矿相TiO2光学性能的第一性原理研究

采用密度泛函理论研究了Ce、N共掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构、态密度和光学特性.计算结果表明,不同位置Ce、N共掺杂对TiO2的杂质形成能、带隙和光学性质是有影响的.共掺杂带隙比单掺杂TiO2的更窄,导致电子从杂质能级激发到导带的概率增大,这会提高共掺杂TiO2的光量子效率.Ce、N共掺杂后TiO2吸收带边红移至可见光区的更远处,光学吸收系数比单掺杂时更强,这主要是由Ce、N共掺杂的协同效应引起的.带边位置的计算结果表明掺杂TiO2的强氧化还原能力得到保持.因此,Ce、N共掺后TiO2在可见光区具有良好的光催化性能.     

Ag,O共掺实现p型氮化铝纳米管电子结构的第一性原理研究

基于第一性原理的平面波超软赝势法对(6, 0)单壁氮化铝纳米管、Ag掺杂,以及Ag和O共掺纳米管进行了几何结构优化。计算讨论了掺杂前后氮化铝纳米管的能带结构、态密度和差分电荷密度。研究显示:本征氮化铝纳米管、Ag掺杂和Ag-O共掺氮化铝纳米管的带隙分别为2.49 eV、1.84 eV和1.80 eV。掺杂构型仍然保持半导体特性,Ag掺杂氮化铝纳米管的价带顶贯穿费米能级从而形成简并态,实现了氮化铝纳米管的p型掺杂,但Ag-4d态和N-2p态电子轨道间有强烈的杂化效应,Ag的单掺总体上是不稳定的。O掺入后,Ag与O之间的吸引作用克服了Ag原子之间的排斥作用,使Ag在氮化铝纳米管中的掺杂更加稳定;共掺纳米管体系的带隙相较于单掺纳米管体系更加窄化,导电性进一步增强。Ag和O共掺有望成为获得p型氮化铝纳米管的有效方法。     

Nd、N掺杂和Nd/N共掺杂锐钛矿相TiO2电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理研究了 N掺杂, Nd掺杂,和Nd/N共掺杂对锐钛矿相TiO2晶格参数、能带结构、电荷布居、电子态密度和光吸收性质的影响.结果表明,杂质的引入不同程度的改变了TiO2的晶格参数,Nd的掺杂使TiO6八面体畸变最大;N掺杂TiO2使带隙宽度减小,且在价带顶出现杂质能级;Nd掺杂和Nd/N共掺杂不仅使TiO2带隙宽度减小并在其价带和导带之间出现了空带,空带主要由Nd原子的4f轨道能级所贡献;由于禁带宽度的减小和杂质能级的出现使得掺杂后TiO2的吸收光谱的吸收边向可见光方向移动,增加了物质对光吸收的响应范围.     

La掺杂氧空位的α-Bi2O3电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于第一性原理的方法研究了本征α-Bi₂O₃、La掺杂、氧空位掺杂和共掺杂体系的电子结构与光学性质，以期获得性能比较优异的α-Bi₂O₃光催化材料。研究结果表明：掺杂后，体系结构变形较小，其中氧空位(V_O)掺杂和La-V_O共掺杂体系的禁带宽度价带和导带同时下移且在禁带中引入杂质能级，说明掺杂可以减小电子从价带激发到导带所需能量，有利于电子的跃迁。特别是相对于氧空位单掺杂，La-V_O共掺杂使杂质能级向导带底靠近，这个倾向可能使该复合缺陷成为光生电子捕获中心的概率大于成为光生电子-空穴对复合中心的概率；同时，La-V_O共掺杂导致导带底附近的能带弯曲的曲率增大即色散关系增强，从而降低了电子的有效质量，加速电子的运动，因此，La-V_O共掺杂能大幅改善光生电子-空穴对的有效分离。另一方面La-V_O共掺杂在显著扩展可见光吸收范围的同时，还极大地增强了可见光吸收强度。因此，La-V<...     

Y掺杂WS2二维材料的第一性原理研究

WS₂由于其优异的物理和光电性质引起了广泛关注。本研究基于第一性原理计算方法,探索了本征单层WS₂及不同浓度W原子替位钇(Y)掺杂WS₂的电子结构和光学特性。结果表明本征单层WS₂为带隙1.814 eV的直接带隙半导体。进行4%浓度(原子数分数)的Y原子掺杂后,带隙减小为1.508 eV,依旧保持着直接带隙的特性,随着Y掺杂浓度的不断增大,掺杂WS₂带隙进一步减小,当浓度达到25%时,能带结构转变为0.658 eV的间接带隙,WS₂表现出磁性。适量浓度的掺杂可以提高材料的导电性能,且掺杂浓度增大时,体系依旧保持着透明性并且在红外光和可见光区对光子的吸收能力、材料的介电性能都有着显著提高。本文为WS₂二维材料相关光电器件的研究提供了理论依据。     

Zn掺杂纤锌矿CdSe电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用密度泛函理论中的广义梯度近似平面波超软赝势方法,计算研究了不同浓度Zn原子掺杂纤锌矿结构CdSe的电子与光学性质.结果显示:随着Zn掺杂浓度的升高,纤锌矿Cd1-xZnxSe的体积在减小,形成能降低,掺杂越容易,稳定性变高;Zn掺杂引起导带底向高能方向移动,禁带宽度逐渐增加;掺杂后形成的Zn-Se键具有更大的密立根重叠布居数,表现出更强的共价性;体系的直接带隙宽度增加,导致光电子跃迁峰向高能方向发生蓝移;在紫外光区9.75eV左右,掺杂体系的吸收强度达到最大,能量损失最小.     

稀土元素(Ce/Nd/Eu/Gd)与N共掺金红石相TiO2的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势计算方法,计算分析了纯金红石相TiO2,Ce、Nd、Eu和Gd四种稀土元素单掺杂金红石相TiO2,以及与N共掺金红石相TiO2的晶体结构、电子结构和光学性质.由掺杂前后的结果分析发现,掺杂后晶胞膨胀,晶格发生畸变;费米能级上移进入导带,导带底部引入杂质能级,提高了掺杂体系的电导率和对可见光的响应;光学性质、介电函数和吸收谱掺杂体系峰值比纯TiO2小,反射谱和能量损耗谱出现红移现象.     

GGA+U方法研究C与Ti掺杂GaN的电子结构和光学性质

作为一种优良的半导体材料,GaN所具有的宽禁带导致其只能吸收可见光中的紫光,因此如何增加GaN材料对可见光的利用率是一个值得研究的问题,掺杂是解决这个问题常用的手段。本文利用第一性原理的方法对本征GaN,C单掺、Ti单掺、C-Ti共掺GaN四种体系的电子结构和光学性质做了计算和分析,结果表明:掺杂后的体系都具有良好的稳定性;掺杂后各体系的体积均增大,说明杂质的引入使体系晶格发生畸变,对光生空穴-电子对的分离有促进作用,进而提高材料的光催化性能;杂质元素的引入使体系能级发生劈裂,电子跃迁更加容易;掺杂后各体系的介电函数虚部主峰均向低能区移动,吸收谱均红移至可见光区域,其中共掺体系在蓝绿光区域的吸收系数最大,由此可以推测C-Ti共掺有助于提高GaN的光催化性能。