点缺陷对单层MoS2电子结构及光学性质的影响研究

采用基于第一性原理的贋势平面波方法,对不同类型点缺陷单层MoS2电子结构、能带结构、态密度和光学性质进行计算。计算结果表明：单层MoS2属于直接带隙半导体,禁带宽度为1.749ev,V-Mo缺陷的存在使得MoS2转化为间接带隙Eg=0.671eV的p型半导体,V-S缺陷MoS2的带隙变窄为Eg=0.974eV,S-Mo缺陷的存在使得MoS2转化为间接带隙Eg=0.482eV; Mo-S缺陷形成Eg=0.969eV直接带隙半导体,费米能级上移靠近价带。 费米能级附近的电子态密度主要由Mo的4d态和s的3p态电子贡献。光学性质计算表明：空位缺陷对MoS2的光学性质影响最为显著,可以增大MoS2的静态介电常数、折射率n0和反射率,降低吸收系数和能量损失。     

二维缺陷GaAs电子结构和光学性质第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了存在Ga空位缺陷和掺杂B原子的二维GaAs的能带结构、态密度和光学性质.计算结果表明空位缺陷二维GaAs显示出金属特性,B原子的引入使体系变为间接带隙半导体,禁带宽度为0.35 eV.态密度计算发现体系低能带主要由Ga的s态、p态、d态和As的s态、p态构成;高能带主要由Ga和As的s态、p态构成.掺杂B原子与存在空位缺陷的二维GaAs相比,静态介电常数相对较低,变为8.42,且易于吸收紫外光,在3.90～8.63 eV能量范围具有金属反射特性,反射率达到52%.     

应力作用下吸附过渡金属原子的蓝磷单层中的拓扑转变

本文通过第一性原理计算方法研究了被第四B族过渡金属吸附原子(Cr，Mo，W)修饰的蓝磷单层的电子结构性质，发现Cr修饰的蓝磷单层为磁性半金属，而Mo或W修饰的蓝磷单层为半导体，其带隙均小于0.2 eV. 对Mo或W修饰的蓝磷单层施加双轴压应力使得带隙先闭合再打开，且在此过程中发生了能带反转的现象，说明Mo或W修饰的蓝磷单层发生了拓扑转变. Mo和W修饰的蓝磷单层的拓扑转变压应力分别为-5.75%和-4.25%，其拓扑绝缘带隙分别为94 meV和218 meV. 如此大的拓扑绝缘带隙意味着在较高温度条件下有可能在蓝磷单层中通过吸附过渡金属原子实现拓扑绝缘态.     

应力作用下吸附过渡金属原子的蓝磷单层中的拓扑转变（英文）

本文通过第一性原理计算方法研究了被第四B族过渡金属吸附原子(Cr,Mo,W)修饰的蓝磷单层的电子结构性质,发现Cr修饰的蓝磷单层为磁性半金属,而Mo或W修饰的蓝磷单层为半导体,其带隙均小于0.2 eV.对Mo或W修饰的蓝磷单层施加双轴压应力使得带隙先闭合再打开,且在此过程中发生了能带反转的现象,说明Mo或W修饰的蓝磷单层发生了拓扑转变.Mo和W修饰的蓝磷单层的拓扑转变压应力分别为-5.75%和-4.25%,其拓扑绝缘带隙分别为94 meV和218 meV.如此大的拓扑绝缘带隙意味着在较高温度条件下有可能在蓝磷单层中通过吸附过渡金属原子实现拓扑绝缘态.     

空位缺陷对CdS电子结构和光学性质的影响

采用基于密度泛函理论(DFT)第一性原理的平面波超软赝势方法,对空位缺陷体系的几何结构进行优化计算,发现空位引起周围原子的弛豫,晶格结构发生畸变。在此基础上研究了空位缺陷对闪锌矿结构CdS体系电子结构(能带结构、电子态密度)的影响,结果表明,S空位使得能带变窄,而Cd空位使带隙变宽,但二者仍为直接带隙半导体。对光学性质的研究发现,由于空位的介入使其邻近原子电子结构发生变化,使得空位缺陷体系光学性质的变化主要集中在低能量区。     

过渡金属元素X（X=Mo，Tc，Ru）掺杂单层GaS的第一性原理研究

近年来，二维GaS由于其优异的性质引起了科研人员的关注.基于密度泛函理论计算了过渡金属元素X(X=Mo, Tc, Ru)掺杂单层二维GaS的电子结构、磁性性质及光学性质.计算结果表明：单层GaS材料为间接带隙的非磁性半导体，在对S位点进行替位式掺杂后，Ga-rich和S-rich条件的形成能均为正数，导致过渡金属元素Mo、Tc和Ru不能自发地进入进入单层GaS材料中.所有掺杂体系都引入了杂质能级，杂质能级主要由掺杂原子的4d轨道贡献.掺杂后所有体系的带隙都有所减小，上自旋和下自旋的能带结构不再对称，使得Mo掺杂体系呈现半金属铁磁性，Tc和Ru掺杂体系呈磁性半导体特性，Mo、Tc和Ru掺杂后的总磁矩分别为4μ_B, 3μ_B和2μ_B,磁矩主要由掺杂原子的局域磁矩产生.掺杂后单层GaS的静介电常数得到提高，吸收谱出现红移，在可见光区和近红外区的吸收系数变大，对可见光的利用率增强.     

氧化石墨烯纳米带能带结构和态密度的第一性原理研究

基于密度泛函理论,采用第一性原理方法,计算了氧化石墨烯纳米带的电荷密度、能带结构和分波态密度。结果表明,石墨烯纳米带被氧化后,转变为间接带隙半导体,带隙值为0.375 e V。电荷差分密度表明,从C原子和H原子到O原子之间有电荷的转移。分波态密度显示,在导带和价带中C-2s、2p,O-2p,H-1s电子态之间存在强烈的杂化效应。在费米能级附近,O-2p态电子局域效应的贡献明显,对于改善氧化石墨烯纳米带的半导体发光效应起到了主要作用。     

Rb吸附石墨烯纳米带电子性质和光学性质的研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法了计算了Rb、O和H吸附石墨烯纳米带的差分电荷密度、能带结构、分波态密度和介电函数，调制了石墨烯纳米带的电子性质和光学性质，给出了不同杂质影响材料光学特性的规律.结果表明本征石墨烯纳米带为n型直接带隙半导体且带隙值为0.639 eV；Rb原子吸附石墨烯纳米带之后变为n型简并直接带隙半导体，带隙值为0.494eV；Rb和O吸附石墨烯纳米带变为p型简并直接带隙半导体，带隙值增加为0.996eV；增加H吸附石墨烯纳米带后，半导体类型变为n型直接带隙半导体，且带隙变为0.299eV，带隙值相对减小，更有利于半导体发光器件制备.吸附Rb、O和H原子后，石墨烯纳米带中电荷密度发生转移，导致C、Rb、O和H之间成键作用显著.吸附Rb之后，在费米能级附近由C-2p、Rb-5s贡献；增加O原子吸附之后，O-2p在费米能级附近贡献非常活跃，杂化效应使费米能级分裂出一条能带；再增加H原子吸附之后，Rb-4p贡献发生蓝移，O-2p在费米能级附近贡献非常强，费米能级分裂出两条能带.Rb、O和H的吸附后，明显调制了石墨烯纳米带的光学性质.     

闪锌矿结构AlSb空位缺陷性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)第一性原理的平面波超软赝势方法，计算含有锑空位和铝空位的电子结构，发现空位引起周围原子弛豫，晶体结构发生畸变。在此基础上研究了空位缺陷对闪锌矿型AlSb体系电子结构的影响，结果表明，铝空位缺陷使锑化铝费米能级降低，带隙变窄；而锑空位缺陷则使锑化铝费米能级升高，带隙变窄，同时，锑化铝的半导体类型由p型变为n型。对光学性质的研究发现，由于空位的引入使其邻近原子电子结构发生变化，使得空位缺陷系统光学性质的变化主要集中在低能量区域。     

应变和C掺杂对单层BN纳米片的电子结构和磁学性质的影响

利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 研究了应变和C原子掺杂对单层BN纳米片的电子结构和磁学性质的影响. 计算结果表明未掺杂的单层BN纳米片具有宽的直接带隙, 在压缩和拉伸应变的作用下, 带隙会分别增大和减小, 但应变对带隙的调制整体效果不太明显. 单个C原子掺入BN纳米片的态密度揭示体系呈现出半金属性(Half-metallicity), 磁矩主要源于C 2p态, 而B 2p和N 2p态在极化作用下也能提供部分磁矩. 两个C原子掺入BN纳米片时, 磁性基态会随着C原子的间距发生变化: 当两C原子为最近邻(nn)和次近邻(nnn)时, 反铁磁态为磁性基态; 而当两C原子为次次近邻(nnnn)时, 铁磁态为基态, 并且其态密度也显示出半金属性.     

闪锌矿结构AlSb空位缺陷性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)第一性原理的平面波超软赝势方法,计算含有锑空位和铝空位的AlSb电子结构,发现空位引起周围原子弛豫,晶体结构发生畸变.在此基础上研究了空位缺陷对闪锌矿型AlSb体系电子结构的影响,结果表明,铝空位缺陷使锑化铝费米能级降低,带隙变窄;而锑空位缺陷则使锑化铝费米能级升高,带隙变窄,同时,锑化铝的半导体类型由p型变为n型.对光学性质的研究发现,由于空位的引入使其邻近原子电子结构发生变化,使得空位缺陷系统光学性质的变化主要集中在低能量区域.     

m-BiVO_4与t-BiVO_4的电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用第一性原理的密度泛函理论赝势平面波方法,计算了单斜m-BiVO_4与四方t-BiVO_4的电子结构和光学性质.计算结果表明:m-BiVO_4为间接带隙半导体,禁带宽度为2.171 e V,t-BiVO_4为直接带隙半导体,禁带宽度为2.644 e V;m-BiVO_4与t-BiVO_4均可吸收紫外光及可见光,m-BiVO_4还可以吸收部分红外光.     

第一性原理研究BiNbO_4晶体的电子结构和光学性质

此文用密度泛函理论的平面波赝势方法研究Bi Nb O4的电子结构和光学性质.获得了Bi Nb O4是一种禁带宽度为2.74 e V的直接带隙半导体,价带顶主要是由O-2p态与Bi-6s态杂化而成,而导带底主要是由Nb-4d态构成等有益结果;还分析得出介电函数、复折射率、能量损失等光学性质与电子态密度、能带结构存在内在的联系.     

一种新型二维TiO_2的电子结构与光催化性质

基于第一性原理计算方法,设计出了一种新型二维半导体材料TiO_2,并进一步研究了其结构稳定性,电子结构,载流子迁移率和光学性质等.二维TiO_2的形成能、声子谱、分子动力学、弹性常数表明,二维TiO_2具有较好的动力学,热力学和机械稳定性,具备实验制备的条件,且能够稳定存在于常温条件下.电子结构分析表明,二维TiO_2是一种间接带隙半导体,在GGA+PBE和HSE06算法下的能隙分别为1.19 e V和2.76 e V,其价带顶和导带底能级分别由Ti-3d和Ti-4s态电子构成, O原子的电子态在费米能级附近贡献很小,主要分布在深处能级.载流子迁移率显示,二维TiO_2的迁移率比单层Mo S2要小,其电子和空穴迁移率分别为31.09和36.29 cm~2·V~(–1)·s~(–1).由于空穴迁移率和电子迁移率的各向异性,电子-空穴复合率较低,使得单层TiO_2的使用寿命更长,光催化活性更好.在应变调控下,二维TiO_2的能隙发生明显响应,以适用于各种半导体器件的需要.半导体的带边势和光学性质显示,在–5%—2%单/双轴应变下,二维TiO_2能够光裂水制H2,在–5%—5%单/双轴应变下,能够光裂水制O_2, H_2O_2和O_3等.此外,二维TiO_2对可见光和紫外光具有较高的吸收系数,说明其在未来光电子器件和光催化材料领域有着潜在的应用前景.     

纤铁矿型TiO_2纳米片层结构的稳定性与电子结构研究

采用平面波超软赝势方法研究了纤铁矿型TiO_2纳米片层结构的稳定性和电子结构.结果显示该结构具有较高的稳定性,其带隙比锐钛矿型TiO_2要大0.59 e V,带隙内没有出现表面态.通过对空位缺陷形成能的比较,结果显示这在还原性气氛下纤铁矿型TiO_2纳米片层表面Ti空位的形成能明显低于O空位的形成能,确定出最容易出现的缺陷是-4价的Ti空位,该空位缺陷的出现会使带隙中产生表面缺陷态.与体相内缺陷不同,表面缺陷态可以促进电子和空穴的分离,这些发现可以合理的解释最近的实验结果 .     

第一性原理研究厚度和空位缺陷对Si/SiO2界面电子结构与光学性质的影响

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,在局域密度近似（LDA）下研究了Si纳米层厚度和O空位缺陷对Si/SiO2界面电子结构及光学性质的影响．电子结构计算结果表明：在0.815~2.580nm的Si层厚度范围内,Si/SiO2界面结构的能隙随着厚度减小而逐渐增大,表现出明显的量子尺寸效应,这与实验以及其他理论计算结果一致;三种不同的O空位缺陷的存在均使得Si/SiO2界面能隙中出现了缺陷态,费米能级向高能量方向移动,且带隙有微弱增加．光学性质计算结果表明：随着Si纳米层厚度的减小,Si/SiO2界面吸收系数产生了蓝移;O空位缺陷引入后,界面光学性质的变化主要集中在低能区,即低能区的吸收系数和光电导率显著增加．可见,改变厚度和引入缺陷能够有效地调控Si/SiO2界面体系的电子和光学性质,上述研究结果为Si/SiO2界面材料的设计与应用提供了一定的理论依据．     

第一性原理研究厚度和空位缺陷对Si/SiO2界面电子结构与光学性质的影响

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,在局域密度近似（ LDA）下研究了Si纳米层厚度和O空位缺陷对Si／SiO2界面电子结构及光学性质的影响．电子结构计算结果表明：在0.815～2.580nm的Si层厚度范围内, Si／SiO2界面结构的能隙随着厚度减小而逐渐增大,表现出明显的量子尺寸效应,这与实验以及其他理论计算结果一致;三种不同的O空位缺陷的存在均使得Si／SiO2界面能隙中出现了缺陷态,费米能级向高能量方向移动,且带隙有微弱增加．光学性质计算结果表明：随着Si纳米层厚度的减小, Si／SiO2界面吸收系数产生了蓝移; O空位缺陷引入后,界面光学性质的变化主要集中在低能区,即低能区的吸收系数和光电导率显著增加．可见,改变厚度和引入缺陷能够有效地调控Si／SiO2界面体系的电子和光学性质,上述研究结果为Si／SiO2界面材料的设计与应用提供了一定的理论依据．     

基于第一性原理的钙钛矿材料空位缺陷研究

为了获得优异的钙钛矿材料,本文系统地研究有机-无机杂化钙钛矿材料(CH3NH3PbI3)的电子结构和光学特性,同时探究了空位缺陷对其光学性质的影响。首先,采用Materials Studio软件构建本征钙钛矿材料的电子结构,并基于广义梯度近似的方法(GGA)和Perdew-Burker-Ernzerhof (PBE)泛函,优化其电子结构并计算本征钙钛矿材料的电学和光学特性。通过采用范德华力修正,解决了密度泛函理论低估带隙的问题,得到准确的带隙。其次,研究不同的空位缺陷(Pb空位和I空位缺陷)对钙钛矿材料的电子结构的影响,并计算其能带、态密度和光学性质。最后通过对比本征钙钛矿材料和空位缺陷的钙钛矿材料特性,从微观机理研究空位缺陷对其光学性质的影响。结果表明:本征钙钛矿材料带隙为1. 52 e V,这与实验测得的带隙值基本吻合;同时研究发现Pb空位缺陷会导致钙钛矿呈偏P型材料; I空位缺陷会导致钙钛矿呈偏N型材料。空位缺陷能够有效地改变钙钛矿材料的介电函数和光吸收谱,对于钙钛矿材料的研究及在光电器件领域的应用具有重要的理论价值。     

Mn/C共掺杂ZnS纳米管磁性质研究（英文）

采用第一性原理密度泛函理论系统地研究Mn原子单掺杂和双掺杂ZnS纳米管的结构、电子性质和磁性质.掺杂纳米管的形成能比纯纳米管形成能更低,表明掺杂是个放热过程.掺杂纳米管的能隙远小于纯纳米管能隙.计算结果表明Mn掺杂纳米管趋于反铁磁态.为了获得室温铁磁性,用一个C原子替代一个S原子.发现铁磁态能量比反铁磁态能量低0.454 e V.如此大的能量差表明这类材料中有可能获得室温铁磁性.     

Zigzag型石墨纳米带电子结构和输运性质的第一性原理研究

采用第一性原理电子结构和输运性质计算研究了zigzag型单层石墨纳米带(具有armchair 边缘)的电子结构和输运性质及其边缘空位缺陷效应. 研究发现,完整边缘的zigzag型石墨纳米带是具有一定能隙的半导体带,边缘空位缺陷的存在使得纳米带能隙变小,且缺陷浓度越大,能隙越小,并发生了半导体-金属转变. 利用这些研究结果,将有助于在能带工程中实现其电子结构裁剪. 关键词： 石墨纳米带 空位缺陷 电子结构 输运性质