金属纳米线填充氮硼碳纳米管电子结构与光学性质的研究

基于第一性原理、密度泛函理论,通过CASTEP模块对填充金,银,铜纳米线的氮硼碳纳米管进行计算,研究其电子结构及光学性质.发现填充不同金属,稳定性由高到低分别为铜填充氮硼纳米管,银填充氮硼纳米管,金填充氮硼纳米管;体系能带图中带隙为零,即金属填充的氮硼纳米管使得本征(8,0)碳纳米管由半导体性转变为金属性;态密度分布中,价带处态密度主要由金属元素的d轨道和氮硼纳米管的s,p轨道贡献,导带处的态密度主要为氮硼纳米管的p轨道贡献;通过差分电荷密度图得知,填充金属的氮硼纳米管中共价键,离子键,金属键共存,光学性能中吸收系数峰值均增大,反射系数均出现红移.     

In/Mg掺杂ZnO纳米锥电子结构及场发射性能

以第一性原理计算方法为基础,研究了不同构型的ZnO-NC(氧化锌纳米锥),得到了五种稳定的几何结构,电子结构分析表明Zn-Zn(4P)的场发射性能最优.在此基础上,进一步研究了In/Mg掺杂Zn-Zn(4P)体系的场发射性能,结果表明:掺杂使结构稳定性增强,相比掺Mg和未掺体系,掺In提高了LDOS(局域态密度)峰值且峰位更靠近EF(费米能级),尖端电子密度增大;根据Mulliken电荷、HOMO(最高占据分子轨道)-LUMO(最低未占据分子轨道)能隙及有效功函数的计算,可知In-In(4P)具有更优异的场发射性能.     

N-M(In,Ga,Al)共掺(6,6)型闭口氧化锌纳米管场发射第一性原理研究

运用以密度泛函理论为基础的第一性原理计算方法,研究了N-M(In,Ga,Al)共掺(6,6)型闭口氧化锌(ZnO)单壁纳米管的结构稳定性和场致发射特性.结果表明:共掺可增强体系帽端的稳定性;外加电场越大,各体系的态密度(DOS)分布越低,能隙和有效功函数越小,电荷向帽端聚集.DOS,最高占据分子轨道(HOMO)/最低未占据分子轨道(LUMO),Mulliken电荷和有效功函数分析结果一致表明,N-In共掺体系的场发射性能最优.     

氧化锌纳米线场发射第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了不同横截面氧化锌纳米线(ZnONW)的结构稳定性和场致发射特性.结果表明:ZnONW的直径越大,原子弛豫后Zn-O键键长变化越小,体系越稳定;随外加电场增强,长径比较大的纳米线体系态密度(DOS)和分波态密度(PDOS)均向低能方向移动,最高占据分子轨道(HOMO)-最低未占据分子轨道(LUMO)能隙减少,体系电荷移向NW顶端.DOS/PDOS,HOMO/LUMO,能隙及有效功函数分析结果表明,具有较小横截面积的NW-1场发射性能最佳.     

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。     

Mg掺杂对CaMnO3基热电氧化物电子结构及电性能的影响研究

采用超软赝势密度泛函理论计算的方法研究了Mg掺杂Ca位CaMnO3基复合氧化物的能带结构、电子态密度和电荷分布状况,在此基础上分析了Mg掺杂氧化物的电性能.结果表明,Mg掺杂CaMnO3氧化物仍然呈间接带隙型能带结构,带隙宽度由0.756eV减小到0.734eV.CaMnO3氧化物和Mg掺杂CaMnO3氧化物的自旋态密度曲线极值点均位于为-0.8eV附近.Mg掺杂CaMnO3氧化物中Mn原子对体系费米面态密度的贡献有所减小,O原子和Ca原子对体系费米面态密度的贡献有所增大.Mg原子比Ca原子具有更强的释放电子的能力,Mg掺杂对于CaMnO3氧化物属于电子型掺杂.Mg掺杂CaMnO3氧化物导电性能增强,电性能提高.     

理论研究Stone-Wales缺陷和C掺杂对手性BN纳米带的带隙调控

通过第一性原理密度泛函理论的方法,研究了Stone-Wales 缺陷和C掺杂对手性BN纳米带的带隙调控.结果表明,Stone-Wales 缺陷使得BN纳米带的价带顶(VBM)和导带底(CBM)的占据态发生变化,从而引入了缺陷能级降低了带隙,但Stone-Wales 缺陷的个数对带隙的大小影响不明显.电子结构计算表明,带Stone-Wales 缺陷的BN纳米带的缺陷能级主要是由VBM附近形成N-N原子的类π键轨道和CBM附近形成B-B原子的类σ键分布决定.通过在带Stone-Wales 缺陷的BN纳米带中引入C掺杂改变杂质能级的分布,在VBM附近形成了C-C原子的类σ键轨道和CBM附近形成了C-B原子的类σ键,这样可以进一步降低BN纳米带的带隙,拓展了BN纳米带的应用.     

基于第一性原理对硅取代、掺杂锯齿形石墨烯纳米带的电子结构及输运性质的研究

本文基于第一性原理对硅取代、掺杂石墨烯纳米带不同位置的电子能带结构、态密度及电子器件的电子输运性质进行了分析与研究.结果表明,锯齿形石墨烯纳米带(ZGNRs)在硅原子取代及掺杂后由原来的半导体态转变为金属态.在各种模型中,对于体系态密度有贡献的一般为原子指数为1、在p轨道的硅原子(Si1p);原子指数为2、在p轨道的硅原子(Si2p)和碳原子(C2p);少量的原子指数为1、在s轨道的氢原子(H1s)和碳原子(C1s).经分析,在各取代位置中两端硅原子取代的锯齿形石墨烯纳米带的体系能量最小,表明其为最有可能发生的取代位置.在掺杂位置中,体系能量计算结果显示填隙硅原子的能量更低,最有可能发生此种掺杂.电子输运性质的研究中,在所有的取代位置中单边硅原子取代组成的电子器件电子输运性质最好.在所有电子器件模型中电子输运性质最好的是填隙硅原子掺杂模型.     

Li-N共掺ZnO纳米管的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的计算方法,系列的研究了锯齿型(9,0) ZnO单壁纳米管、Li,N分别掺杂以及Li-2N共掺杂的ZnO纳米管的能带结构、总体态密度、分波态密度.分析发现虽然Li原子单独掺杂不会对纳米管能带结构产生明显影响,但是Li-2N共掺杂比N单独掺杂ZnO纳米管的结构更加稳定,而且Li-2N共掺杂ZnO纳米管是p型简并半导体.     

硼掺杂和氮掺杂金刚石的吸附生长过程研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,探究了化学气相沉积硼掺杂和氮掺杂金刚石的吸附生长过程:建立了一端为氢终止表面的金刚石基底模型以及单个氮取代或单个硼取代的掺杂金刚石基底模型,并计算这些模型的最优稳定结构;研究了不同碳氢基团(C、CH、CH2、CH3)、硼氢基团(B、BH、BH2)和氮氢基团(N、NH、NH2)在有活性位点的不同基底上的吸附过程和吸附难易程度.对比计算结果表明:硼原子和氮原子能通过原位取代的方式掺杂进入金刚石晶格中,并且带有两个氢的基团(BH2、NH2)是最有利的掺杂基团;氮原子通过取代进入金刚石晶格中后,难以形成氮二聚体,不能大量掺杂,而硼原子较易形成硼二聚体,可以实现大量掺杂.     

光子晶体中掺杂激活杂质的光增益研究

本文借助光子晶体中二能级原子的自发辐射理论说明缺陷态局域场存在的必然性以及局域场基本性质,为研究掺杂自发辐射的内在规律提供了理论依据,在此基础上,将自发辐射理论与数值模拟相结合,在缺陷介质中掺入和未掺入激活杂质时,数值模拟研究一维光子晶体的掺杂局域场特征以及受激辐射增强和透射率大于1现象与光子带隙边缘群速度异常和掺杂层复有效折射率负的虚部之间的内在规律,由此说明如在光子晶体的缺陷介质中掺入激活杂质,复有效折射率具有负的虚部,光子禁带中会出现品质因子非常高的杂质态,具有很大的态密度,这样便可实现自发辐射的增强,出现较强的受激辐射放大,在带隙的边缘处,光子晶体的群速度较小或群速度异常,受激辐射放大最容易出现在靠近光子带隙的边缘。     

不锈钢衬底的抛光处理对碳纳米管薄膜场发射性能的影响

在抛光的和未抛光的不锈钢衬底上,利用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)方法从甲烷和氢气的混合气体中沉积碳纳米管薄膜,并对其场发射性能进行了研究.实验发现,不锈钢衬底的机械抛光能降低碳纳米管膜的开启场强,增大它的发射电流密度.在同一场强7.5 V/μm下,衬底未抛光样品的电流密度为2.9 mA/cm2,而衬底抛光样品的电流密度达到5.5 mA/cm2.低开启场强和大发射电流密度意味着β增大,说明机械抛光能使碳纳米管膜的β增大.     

(La,Y)掺杂AlN的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平面波超软赝势方法对纯AlN、(La,Y)单掺杂以及La-Y共掺杂AlN 超胞进行几何结构优化,计算了稀土元素(La,Y)掺杂前后体系的能带结构、态密度和光学性质。结果表明:未掺杂的AlN是直接带隙半导体,带隙值为E_g=4.237 eV,在费米能级附近,态密度主要由Al-3p、N-2s电子轨道贡献电子,光吸收概率大,能量损失较大;掺杂后使得能带结构性质改变,带隙值降低,能带曲线变密集,总态密度整体下移;在光学性质中,稀土元素掺杂后均提高了静态介电常数、光吸收性能,增强了折射率和反射率,减小了电子吸收光子概率及能量损失;其中La-Y共掺体系变化得较为明显。     

Optical properties and synthesis of CuInSe2 thin films by selenization of Cu/In layers

In this paper, we report the effect of annealing temperature on the properties of copper indium diselenide (CuInSe₂) thin films. The CuInSe₂ thin films were fabricated at 500 °C for 2 h by annealing Cu‐In layers (as precursors) selenized in a glass tube with pure selenium powder. The structural and morphological properties of the CuInSe₂ thin films were characterized respectively by means of x‐ray diffraction (XRD) and field‐emission scanning electron microscope (FE‐SEM). The type of CuInSe₂ thin film has been identified as direct allowed and the band gap value was determined. The study of UV/Visible/NIR absorption shows that the band gap value of CuInSe₂ thin film is about 1.07 eV, which is within an optimal range for harvesting solar radiation energy. (© 2012 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

Theoretical Study of Xanthenone and Phenothiazine Derivatives for Blue TADF Emitter

Two novel thermally activated delayed fluorescence (TADF) materials (PTZ-XTN and 2PTZ-XTN), with phenothiazine (PTZ) as an electron donor and xanthenone derivatives (XTN) as electron acceptors, were designed and theoretically investigated as blue OLED emitters. We used density functional theory (DFT) and time dependent DFT (TD-DFT) calculations to determine the electron distribution of HOMO and LUMO and the energy of the lowest singlet (S₁) and the lowest triplet (T₁) excited states. The large dihedral angle between the electron donor and the electron acceptor imparted a small spatial overlap between HOMO and LUMO in all the materials. This charge separation of the HOMO and LUMO leads to a small energy gap between the S₁ state and T₁ state, thereby leading to TADF emission. Among the materials studied, PTZ-XTN has the most suitable properties for a blue TADF OLED emitter, even though 2PTZ-XTN has the smallest energy gap between the S₁ and T₁ states.     

An investigation of the adducts of sulfur tetrafluoride (SF4) with BF3, AsF5, and SbF5

Three adducts SF₄·BF₃, SF₄·AsF₅, and SF₄·SbF₅ were studied in this work, in gas phase, DFT method was performed to study their molecular structures and thermodynamic properties. The heat of formation was studied at the high level DFT levels.

Crystal structures were predicted using the Dreiding force field and refined by DFT-GGA-RPBE method. All the obtained crystal structures belong to the P2₁/c space group. The lattice energies were predicted to be located between ?91.86 and ?693.73 kJ/mol at the GGA-RPBE level. Based on the optimized crystal structures, the band gap (ΔEg) and density of state (DOS) were predicted and the calculations indicate that they are semiconductors with the band gap between 2.22 and 2.43 ev.     

碳纳米管场发射性能的研究进展

碳纳米管是一种性能优良的场发射冷阴极材料,具有低的阈值电场和高的发射电流密度,在平板显示领域具有广阔的应用前景。本文从Fow ler-Nordhe im s场发射理论出发,阐述了CNT的场发射机制,详细论述了包括CNT的结构、方向性、阵列密度、吸附气体、工作环境等诸多因素对其场发射特性的影响。研究表明,垂直取向,长径比高,密度适中,表面洁净的CNT场增强因子较大,场发射性能较好。     

Application of the DV-Xα cluster method to calculations of the electronic structure of silicate and phosphate glasses

The electronic structure of simple silicate and phosphate clusters, which are assumed to exist in rapidly quenched Li₂O---SiO₂ and Li₂O---P₂O₅ glasses, has been calculated by the discrete variational (DV)-Xα molecular orbital method. The calculations have been carried out for several sizes of clusters, namely, tetrahedral units (SiO₄⁴⁻ and PO₄³⁻), dimers (Si₂O₇⁶⁻ and P₂O₇⁴⁻), and trimers (Si₃O₉⁶⁻ and P₃O₉³⁻). For both systems the valence electronic state is characterized by an occupied valence band, with O 2p components, and an unoccupied band of Si or P orbitals, separated by an energy gap. The energy gap between the highest occupied molecular orbital (HOMO) and the loest unoccupied molecular orbital (LUMO) decreases with increasing cluster size. A mulliken population analysis show that the negative effective charge on the non-bridging oxygens is decreased with decreasing energy gap. The bond order of the Si---O and P---O bonds, and thus the strength of these bonds, is increased with increasing cluster size.     

硅基Ⅳ族SiGeSn三元合金晶格结构、电子结构和光学性质的第一性原理

SiGeSn三元合金由于具有较二元合金更大的晶格和能带性质调控范围,是当前用于制作硅基激光器的热点材料。为全面且精确地研究其晶格结构、电子结构和光学性质,本文采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,并结合准随机近似和杂化泛函带隙修正,首先研究SiGeSn晶格常数及其弯曲系数的变化规律,并给出了解决GeSn二元晶格失配和压应变问题的方案。其次比较研究了SiGeSn与GeSn合金的能带结构,并通过态密度计算分析了Si的引入对合金带隙变化的物理机制。最后比较研究了SiGeSn与GeSn合金的介电函数谱、吸收系数、消光系数、反射率、折射率和发射率等光学性质。结果表明,SiGeSn晶格常数弯曲系数的变化与合金电负性差值的变化规律一致,Si-p电子态是SiGeSn合金带隙变化的最主要贡献。相比于同Sn浓度的GeSn合金,SiGeSn能保持直接带隙特征,且其带隙值和光吸收波长呈现更宽的变化范围。因此在拓宽硅基高效光源和光电探测器应用波段方面,SiGeSn相较于GeSn合金具有更大的应用潜力和优势。