Mn2+、N2-共掺杂Zn2GeO4晶体电子结构和光学性质的研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法对本征Zn2GeO4，Mn2+掺杂Zn2GeO4，Mn2+/N2-共掺杂Zn2GeO4超晶胞进行了几何结构优化，计算了掺杂前后体系的晶格常数、能带结构、态密度和光学性质。结果表明，Mn离子掺入后，Mn离子3d轨道与O离子2p轨道之间有强烈的轨道杂化效应，掺杂系统不稳定，而Mn/N离子共掺后，Mn离子和N离子之间的吸引作用克服了Mn离子之间的排斥作用，能够明显地提高掺杂浓度和体系的稳定性。光学性质计算结果表明，Mn离子与N离子共掺杂能改善Zn2GeO4电子在低能区的光学跃迁特性，增强电子在可见光区的光学跃迁；吸收谱计算结果显示，Mn离子与N离子掺入后体系对低频电磁波吸收增加。     

基于密度泛函理论下O和Na掺杂单层h-BN的电子结构性质和光学效应的分析

基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了O、Na单掺杂及O和Na共掺杂单层h-BN的形成能、电子结构和光学性质.结果表明:单掺杂体系中,O掺杂N位置、Na掺杂B位置时,掺杂形成能最低;共掺杂体系中,O和Na邻位掺杂,掺杂形成能最低.与单层h-BN相比,引入杂质原子后的体系禁带宽度均减小,其中O掺杂为n型掺杂,Na掺杂为p型掺杂,而O和Na共掺h-BN体系为直接带隙材料,有利于提高载流子的迁移率.在光学性质方面,Na掺杂h-BN体系与O和Na共掺h-BN的静介电常数均增大,在低能区介电虚部和光吸收峰均发生红移,其中Na掺杂体系红移最为显著,极化能力最强.因此Na单掺和O和Na共掺有望增强单层h-BN的光催化能力,可扩展其在催化材料、光电器件等领域的应用.     

Co对单层MoS_2电子结构与磁性的影响

为了研究Co对单层MoS_2电子结构和磁性的影响,本文基于第一性原理,采用数值基组的方法计算了Co吸附式掺杂、Co替代式掺杂单层MoS_2的能带结构、态密度以及分析了其结构的稳定性.结果发现:Co替换式掺杂体系的形成能较低,实验上容易实现;Co在Mo位吸附的稳定性强于在S位吸附;Mo位吸附体系的总磁矩为0.999μB,其磁矩的主要来源于Co原子的吸附所贡献的0.984μB,Co原子的掺杂体系总磁矩为1.029μB,其磁矩的主要由Co原子替代掉一个Mo原子所贡献的磁矩为0.9444μB,相比于吸附体系,Co原子对磁矩的贡献率有所降低;无论是Co吸附在单层MoS_2表面还是Co直接替代掉Mo原子的掺杂体系,Co原子3d轨道的引入是引起单层MoS_2体系磁性的主要原因.     

Co掺杂β-Ga2O3的电学性质和电荷转变能级的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了Co掺杂β-Ga₂O₃体系的电学性质和转变能级.研究发现,Co原子代替Ga原子后会导致电子结构发生显著变化.利用杂化泛函(HSE06)计算了体系的能带结构,发现随着Co掺杂浓度增加,β-Ga₂O₃禁带宽度逐渐减小,增加化合物对光的吸收,增强它们的光学性能和载流子输运能力.在β-Ga₂O₃体系的四面体格位掺入Co原子,将引入了4.00μ_B的磁矩,磁矩主要来源于Co原子.通过对电子局域函数的分析,可知,Ga, Co和O原子之间是共价键和离子键共同结合.在富镓的条件下,1×3×2超胞模型下,Co掺杂会形成浅受主杂质能级.     

钴铝共掺3C-SiC电子结构和磁性的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,分别计算了不同Co原子比例单掺杂、Al原子单掺杂和Co-Al共掺杂3C-SiC的电子结构和磁性参数.结果表明:随着掺杂Co原子比例的增大,单个Co原子对体系总磁矩贡献的平均值反而减小.由电子态密度分析掺杂3C-SiC体系中的磁性来源,主要是由Co-3d以及Co原子附近的C-2p电子轨道的自旋极化产生的. Al单掺3C-SiC时体系中每个原子的平均磁矩和体系总磁矩均为0,即Al单掺杂体系不具有磁性.而Co-Al共掺杂得到的体系总磁矩比单掺等量Co时要大约0. 09μB,即Co-3d与Al-3p电子轨道发生轨道杂化,使得Co-Al共掺杂可以增大Co原子对体系总磁矩的贡献.     

Mg,Al掺杂对LiCoO2体系电子结构影响的第一原理研究

为了研究Mg ,Al掺杂对锂二次电池正极材料LiCoO2 体系的电子结构的影响 ,进而揭示Mg掺杂的LiCoO2 具有高电导率的机理 ,对Li(Co ,Al)O2 和Li(Co,Mg)O2 进行了基于密度泛函理论的第一原理研究 .通过对能带及态密度的分析 ,发现在Mg掺杂后价带出现电子态空穴 ,提高了电导 ,并且通过歧化效应 (disproportionation)改变了Co 3d电子在各能级的分布 ,而Al掺杂则没有这些作用 .O2 - 的离子性在掺杂后明显增强 .     

Co掺杂闪锌矿ZnO的磁性和光学性质

采用自旋极化密度泛函理论方法对Co掺杂闪锌矿ZnO的能带结构、态密度、磁学和光学属性进行了研究.计算结果显示:Co掺杂闪锌矿ZnO的基态是反铁磁态,具有金属性特征;而铁磁态具有半金属性特征.铁磁耦合在费米能级附近出现了明显的自旋劈裂现象,表现出明显的不对称性和强烈的Co 3d和O 2p杂化效应.磁矩主要来源于Co 3d轨道电子以及部分近邻耦合的O 2p轨道电子,大小与Co原子的掺杂位置有关.光学性质计算结果显示,Co掺杂闪锌矿ZnO在可见光范围内都有较强的光吸收能力,吸收峰在高能区发生了红移现象.理论计算结果表明,Co掺杂闪锌矿ZnO或许是一种优异的磁光材料.     

Mg掺杂对Li(Co,Al)O2电子结构影响的第一原理研究

基于密度泛函理论的第一原理赝势法,研究了Mg在Li(Co,Al)O2中掺杂前后的电子结构的变化.通过能带和态密度的分析,发现Mg掺杂后在价带中引入了电子空穴,同时价带展宽,这两个电子结构的显著变化是引起Li(Co,Al)O2导电率提高的主要机理.通过对Co3d电子态密度的分析发现,在二价Mg掺杂后,Li(Co,Al)O2中的Co价态升高,介于Co3+和Co4+之间.从能带计算出发,进一步定量给出了Co和O的平均价态的变化.     

Na2Ca6La2(PO4)6F2:Eu3+的荧光和结构的局部对称性

稀土Eu3+离子的荧光谱线的数目、位置和强度与其所处的周围环境对称性有明确的联系。为了测定La3+离子在Na2Ca6La2(PO4)6F2相中所处格位的对称性,合成样品时,适量掺杂Eu3+离子,得到Na2Ca6La2-x(PO4)6F2:Eux红色荧光体。研究此种发光体的荧光光谱性质,能够证实La3+在Na2Ca6La2(PO4)6F2中处于两种不同的对称格位(D3h和C6)。     

从Eu3+发射光谱获得J-O参数Ω2、Ω4

测量了Eu3 + 掺杂的PbF2 和H3 BO3 不同配比玻璃材料的吸收光谱、发射光谱及激发光谱 ,计算了各不同配比样品的折射率。根据稀土离子Eu3 + 光学跃迁矩阵元的特点 ,从发射光谱获得了Eu3 + 光学跃迁的J O参数Ω2 和Ω4 ,并研究了Ω2 和Ω4 对xPbF2 ( 79 5-x)H3 BO3 0 5Eu2 O5玻璃体系组分的依赖关系 ,提出了用Eu3 + 离子作为玻璃材料微观环境探针 ,并通过实验证实了其可行性。     

Mg掺杂对Li(Co,Al)O2电子结构影响的第一原理研究

基于密度泛函理论的第一原理赝势法，研究了Mg在Li(Co，Al)O2中掺杂前后的电子结构的变化.通过能带和态密度的分析,发现Mg掺杂后在价带中引入了电子空穴，同时价带展宽，这两个电子结构的显著变化是引起Li(Co，Al)O2导电率提高的主要机理.通过对Co3d电子态密度的分析发现，在二价Mg掺杂后，Li(Co，Al)O2中的Co价态升高，介于Co3+和Co4+之间.从能带计算出发，进一步定量给出了Co和O的平均价态的变化. 关键词： Li(Co Al)O2 电子结构 第一原理 电导     

F掺杂SnO2电子结构的模拟计算

采用基于密度泛函理论的平面波赝势方法对SnO2:F体系的电子结构进行了第一性原理模拟计算.用广义梯度近似方法优化SnO2:F体系的晶胞结构,计算了体系基态总能.通过确定F掺杂对O的优先替代位置,计算了SnO2:F的能带结构、态密度、分波态密度.分析了F掺杂对SnO2晶体的电子结构和晶体性质及光学吸收边的影响,从理论上得出光学吸收边发生蓝移.对不同掺杂量的体系电子结构进行了分析.     

稀土掺杂对钴铁氧体电子结构和磁性能影响的理论研究

尖晶石型铁氧体是十分重要的磁性材料之一, 具有独特的物理性质、化学特性、磁学特性和电子特性. 其中尖晶石型钴铁氧体具有较好的电磁性质而被广泛应用. 本文基于密度泛函理论(DFT) 的第一性原理平面波赝势法, 结合广义梯度近似(GGA+U), 研究了CoRE_0.125Fe_1.875O₄ (RE = Nd, Eu, Gd)体系的电子结构和磁性能. 结果表明随着稀土元素从Nd到Gd掺杂体系晶胞的晶格常数呈递减趋势. 磁性能依赖于稀土离子(RE³⁺)4f轨道未配对的电子数, 掺杂Eu和Gd能够提高钴铁氧体体系的磁矩, 主要因为它们3+价态离子具有较多未配对的4f电子, 因而对磁性能的影响较大. 然而Nd 的掺杂对体系磁性能的影响很小, 这是由于它的离子半径较大, 导致晶格发生畸变.     

锰掺杂二硅化铬电子结构和光学性质的第一性原理计算

采用基于第一性原理的密度泛函理论(DFT)赝势平面波方法计算了锰掺杂二硅化铬(CrSi2)体系的能带结构、态密度和光学性件质.计算结果表明末掺杂CrSi2属于间接带隙半导体间接带隙宽度△ER=0.35 eV;Mn掺杂后费米能级进入导带,带隙变窄,且间接带隙宽度△Eg=0.24 eV,CrSi2转变为n型半导体.光学参数发生改变,静态介电常数由掺杂前的ε1(O)=32变为掺杂后的ε1(O)=58;进一步分析了掺杂对CrSi2的能带结构、态密度和光学性质的影响,为CrSi2材料掺杂改件的研究提供r理论依据.     

Cr掺杂BaTiO_3几何结构、电子结构和磁性的第一性原理研究

采用基于密度泛函的第一性原理平面波赝势方法以及广义梯度近似+U(GGA+U)方法,计算了钙钛矿结构四方相BaTiO_3晶体结构、电子结构以及Cr掺杂对体系磁性的影响.研究表明,Cr离子的掺杂会使BaTiO_3的晶格参数和晶胞体积减小,使结构逐渐从四方相的BaTiO_3向立方相的BaCrO3演化;能带和态密度的计算结果显示掺杂剧烈影响体系的电子结构,体系基态逐渐由绝缘态变为半金属态.同时,掺杂调控了体系的磁性.Cr离子在掺杂后为+4价,具有2μB的局域磁矩,可使体系具有磁性.结果预测了Cr掺杂对BaTiO_3改性的有效性,拓宽了BaTiO_3在自旋电子器件方面的应用.     

轨道序和巡游性对尖晶石结构钒氧化物AV2O4 (A = Mn,Fe, Co) 物性影响的研究

在尖晶石钒基氧化物AV_2O_4中,因为自旋阻挫、轨道序、巡游性等独特的内禀属性间存在着相互合作和竞争,所以该体系常常表现出复杂而有趣的物理现象。通过对A位磁性离子的调控,我们详细研究该体系中不同物性的起源,比如磁相变与结构相变的不同起因,局域和巡游电子的交叉行为等等。我们以Mn_(1-x)Co_x V_2O_4和Fe_(1-x)Co_x V_2O_4体系为研究对象,通过变温X射线衍射、磁化率、比热和中子散射等测试手段,结合第一性原理计算,对其物性起源进行了详细的研究。我们发现:(i)在低Co2+离子掺杂时,体系受到局域V~(3+)离子以及A位Fe~(2+)离子的轨道序作用,往往会在磁有序附近伴随着结构相变的出现,以至于弱化体系中钒离子独立形成的四面体造成的几何阻挫。这也说明Co~(2+)离子低掺杂下,该体系有着强的自旋–晶格耦合;(ii)在高Co~(2+)离子掺杂时,由于巡游性的增强,轨道序的弱化,JAB交换相互作用增强,体系也表现出明显的磁各向同性。因此磁相变温度向更高的温度移动,而结构相变温度向低温移动甚至消失。     

F原子吸附TiO_2:Mn(001)稀磁半导体薄膜电子结构和磁性的第一性原理计算

利用第一性原理方法计算Mn离子掺杂纯净TiO2(001)和F原子吸附的TiO2(001)薄膜的形成能、态密度和磁矩.F原子吸附明显降低TiO2∶Mn薄膜体系的形成能.F原子的吸附导致Mn离子的磁矩减小,而表面O原子的磁矩增大.表面O原子的磁矩主要来源于O原子p x和p y轨道的自旋极化,研究表明表面吸附F原子更有利于Mn离子的掺杂,在一定程度上有利于获得结构稳定的铁磁态半金属特性的TiO2∶Mn薄膜.     

Cu,O共掺杂AlN晶体电子结构与光学性质研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法对纯Al N,Cu单掺杂以及Cu与O共掺杂Al N超胞进行了几何结构优化,计算了掺杂前后体系的晶格常数、能带结构、态密度与光学性质.结果表明:掺杂后晶格体积增大,系统能量下降;Cu掺入后Cu 3d电子与N 2p电子间有强烈的轨道杂化效应,Cu与O共掺后Cu和O之间的吸引作用克服了Cu原子之间的排斥作用,能够明显提高掺杂浓度和体系的稳定性.光学性质分析中,介电函数计算结果表明Cu与O共掺杂能改善Al N电子在低能区的光学跃迁特性,增强电子在可见光区的光学跃迁;复折射率计算结果显示Cu与O掺入后由于电磁波穿过不同的介质,导致折射率发生变化,体系对低频电磁波吸收增加.     

共轭低聚物中光生分子间电荷转移态的第一性原理研究（英文）

本文基于第一性原理中的Heyd-Scuseria-Ernzerh方法研究了单层In_(1-x)Ga_xN的电子结构和光学性质.计算得到单层In_(1-x)Ga_xN的能带结构和态密度(DOS),发现随着掺杂比例的变化,体系带隙的变化范围是1.8～3.8 eV,表明通过Ga的掺杂可以实现体系带隙值的调节.并且还研究了单层In_(1-x)Ga_xN的介电函数,折射率和吸收系数等光学性质,结果表明随着Ga掺杂浓度的增加,介电函数谱的主峰和吸收谱发生了显著的蓝移.此外,基于能带结构和态密度图谱,对单层In_(1-x)Ga_xN的光学性质进行分析,预测这种材料独特的光学性质在纳米电子学和光学器件中会有广泛的应用.     

磁控溅射法制备钴掺杂氧化锌薄膜室温磁学性质

钴掺杂氧化锌是室温稀磁半导体的重要候选材料,其磁学特性和钴掺杂浓度、显微结构及光学性质密切相关。磁控溅射具有成本低、易于大面积沉积高质量薄膜等特点,是广受关注的稀磁半导体薄膜制备方法。利用磁控溅射方法制备了不同浓度的钴掺杂氧化锌薄膜,并对其显微结构、光学性质和磁学特性进行了系统分析。结果表明:当掺杂原子分数在8%以内时,钴掺杂氧化锌薄膜保持单一的铅锌矿晶体结构,钴元素完全溶解在氧化锌晶格之中;薄膜在可见光区域有很高的透射率,但在567, 615和659 nm处有明显吸收峰,这些吸收峰源于Co2+处于O2-形成的四面体晶体场中的特征d-d跃迁。磁学特性测试结果表明钴掺杂氧化锌薄膜具有室温铁磁性,且钴的掺杂浓度对薄膜的磁学特性有重要影响。结合薄膜结构、光学和电学性质分析,实验中观察到的室温铁磁性应源于钴掺杂氧化锌薄膜的本征属性,其铁磁耦合机理可由束缚磁极化子模型进行解释。