First-principles investigation of electronic structure and optical properties in N-F codoped ZnO with wurtzite structure

The electronic structures and optical properties of pure, N-doped and N-F codoped ZnO are investigated based on the density-functional theory. The calculations of the impurity formation energies and ionization energies for these systems indicate that incorporating the reactive donor F into N doped ZnO systems, not only enhances the N acceptor solubility, but also leads to a shallower N acceptor energy level in the band gap in p-type codoped ZnO. In addition, we analyze the imaginary part of the dielectric functions, and reflectivities for pure and N-F codoped ZnO. Compared with the pure ZnO, the remarkable feature in the dielectric function for N-F codoped ZnO is that there is a sharp peak in the low-energy region.     

掺Ga对ZnO电子态密度和光学性质的影响

采用密度泛函理论下的第一性原理平面波赝势方法,研究了掺Ga对纤锌矿ZnO电子态密度和光学性质的影响.从晶体配位场理论分析了掺Ga前后ZnO的成键情况及态密度的变化.计算得到掺Ga后电子浓度为2.42×10²¹ cm^-3,ZnO的载流子浓度提高了10⁴倍.比较分析掺Ga前后ZnO的介电函数、复折射率、吸收光谱和反射光谱可得,ZnO光吸收边向高能端移动,光学带隙增大.在可见光区,ZnO光吸收系数与反射率减小,光透过率显著提高,使ZnO:Ga成为 关键词： 密度泛函理论 态密度 光学性质 ZnO:Ga     

Al和Ni共掺ZnO光学性质的第一性原理研究

利用第一性原理方法研究了纯ZnO以及掺杂Al,Ni和（Al,Ni）共掺的ZnO材料,对掺杂前后晶体的几何结构、能带结构和电子态密度,特别是光学性质进行了比较分析. 计算结果表明,纯ZnO与Al-ZnO,Ni-ZnO和（Al,Ni）-ZnO的介电函数虚部在低能区有明显的差异,但在高能区则较为相似. 在光学性质上,Al-ZnO较之Ni-ZnO在可见光区的吸收系数和反射率都非常低,反映其在可见光区有高透过率. 而两原子共掺后的（Al,Ni）-ZnO,其光学性质较之单原子掺杂的情况有非常显著的变化. 关键词： ZnO 掺杂 第一性原理 光学性质     

Ga高掺杂对ZnO的最小光学带隙和吸收带边影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法, 建立了纯的和四种不同Ga掺杂量的ZnO超胞模型, 分别对模型进行了几何结构优化、能带结构分布、态密度分布和吸收光谱的计算. 结果表明, 在本文限定的Ga掺杂量2.08 at%–6.25 at%的范围内, 随着Ga掺杂量的增加, 掺杂后的ZnO体系体积变化不是很大, 但是, 掺杂体系ZnO的能量增加, 掺杂体系变得越来越不稳定, 同时, 掺杂体系ZnO的Burstein-Moss 效应越显著, 最小光学带隙变得越宽, 吸收带边越向高能方向移动. 计算结果和实验结果相一致. 关键词： Ga高掺杂ZnO 电子结构 吸收光谱 第一性原理     

Nd、N掺杂ZnO的电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理,使用GGA+U方法计算出N、Nd分别单掺ZnO及N、Nd共掺ZnO晶体的形成能,能带结构,态密度及光学性质.经过对比发现:N、Nd各掺杂ZnO中,共掺体系比单掺体系更容易形成,其中低浓度掺杂难度更低;共掺体系随着掺杂浓度的升高,其畸变的强度就越强,禁带宽度变窄,电子跃迁到导带上所需的能量更小,光吸收系数较大,并且都产生了红移,光谱响应范围扩展到了整个可见光区域;共掺体系在低能区域的介电谱峰值较高,说明其极化能力较强,光生电场强度较大,会使光激发载流子在晶体内的迁移变快,对电荷的束缚能力增强.因此N、Nd共掺可以有效提升ZnO的光催化性和极化能力.     

Li,N双受主共掺杂实现p型ZnO的第一性原理研究

基于密度泛函理论,采用第一性原理平面波超软赝势法,首先对六方纤锌矿结构的ZnO晶体和N,Li分别掺杂ZnO以及Li-N共掺杂ZnO晶体的几何结构分别进行了优化计算,在此基础上计算得到了未掺杂ZnO晶体和不同掺杂情况下ZnO晶体的能带结构、总体态密度、分波态密度和电荷布居数.利用计算的结果,从理论上分析了Li-N共掺杂ZnO更容易得到稳定的p型ZnO. 关键词： ZnO 电子结构 第一性原理 p型共掺杂     

Li-N, Li-2N共掺p型ZnO的第一性原理研究

利用密度泛函理论, 计算了本征ZnO, Li-N共掺杂ZnO及Li-2N共掺杂ZnO的电子结构. 计算结果表明, Li-N及Li-2N共掺杂ZnO体系的Fermi能级均不同程度地进入价带顶, 并在Fermi能级附近形成浅的受主能级, 这说明, Li, N原子共掺杂可获得稳定的p型ZnO;与Li-N掺杂ZnO体系相比, Li-2N掺杂ZnO体系进一步提高了体系的载流子浓度, 更有利于获得p型ZnO.     

First-principles investigation of N-Ag co-doping effect on electronic properties in p-type ZnO

The geometric structure, band structure and density of states of pure, Ag-doped, N-doped, and N--Ag codoped wurtzite ZnO have been investigated by the first-principles ultra-soft pseudopotential method based on the density functional theory. The calculated results show that the carrier concentration is increased in the ZnO crystal codoped by N and Ag, and the codoped structure is stable and is more in favour of the formation of p-type ZnO.     

Ta掺杂对ZnO光电材料性能影响的研究

采用基于密度泛函理论第一性原理的方法, 研究了Ta掺杂ZnO的电子结构和光学性质. 计算结果表明: 掺入Ta原子后, 费米能级进入导带, 随着掺杂浓度的增加, 带隙逐渐变窄, 介电函数虚部、吸收系数、反射率和折射率均发生明显变化, 介电函数虚部和反射率均向高能方向移动, 吸收边发生红移, 从理论上指出了光学性质和电子结构的内在联系.     

Al-N共掺杂ZnO电子结构和光学性质

基于密度泛函理论的第一性原理,分析了Al-N共掺杂ZnO的电子结构和光学性质。计算了Al-N复合体共掺ZnO的结合能,发现Al-N复合体可以在ZnO中稳定存在,因此Al-N共掺可以提高N在ZnO的固溶度。研究表明:N掺杂ZnO体系,由于N-2p和Zn-3d态电子轨道杂化作用,在费米能级附近引入深受主能级,价带顶和导带底发生位移,导致禁带宽带变窄。而Al-N共掺杂体系,适当控制Al和N的比例,克服了N单掺杂时受主间的相互排斥,降低了受主能级,对改善ZnO的p型掺杂有重要意义。在Al-N共掺ZnO中,Al的引入,导致共掺体系的禁带宽度减小,吸收带边红移,实验现象证实了这一结果。     

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和Mn共掺杂ZnO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总体能量平面波超软赝势方法,结合广义梯度近似,对未掺杂ZnO与Co和Mn共掺杂ZnO的32原子超原胞体系进行了几何结构优化,计算了纤锌矿结构ZnO与Co和Mn共掺杂ZnO的能带结构、电子态密度和光学性质,并进行了详细的分析.计算结果表明,相对于未掺杂ZnO,Co和Mn共掺杂ZnO的禁带宽度有所减小,对紫外-可见光的吸收能力明显增强. 关键词： ZnO 第一性原理 电子结构 光学性质     

In-N共掺杂ZnO第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法计算了纤锌矿ZnO,N掺杂和In-N共掺杂ZnO晶体的电子结构,分析了N掺杂和In-N共掺杂ZnO晶体的能带结构、电子态密度、差分电荷分布以及H原子对In-N共掺杂ZnO的影响.计算结果表明：N掺杂ZnO在能隙中引入了深受主能级,载流子(空穴)局域于价带顶附近.而加入激活施主In的In-N共掺杂ZnO,受主能级向低能方向移动,形成了浅受主能级.同时,受主能级带变宽、非局域化特征明显、提高了掺杂浓度和系统的稳定性.文章的结论与实验结果相符,从而为实 关键词： 密度泛函理论(DFT) 第一性原理 N掺杂ZnO In-N共掺杂ZnO     

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.     

Electronic structure and enhanced visible‐light absorption of N,B‐codoped TiO2

We present GGA+U calculations to investigate the electronic structure and visible‐light absorption of N,B‐codoped anatase TiO₂. The N_sB_i (substitutional N, interstitial B) codoped TiO₂ produces significant Ti 3d and N 2p mid‐gap states when the distance of N and B atoms is far, whereas the N_iB_i (interstitial N and B) and N_sB_s (substitutional N and B) codoped TiO₂ prefer to form localized p states at 0.3–1.2 eV above the valence band maximum. Further, the optical band edges of the three codoped systems shift slightly to the visible region, but only the far‐distance N_sB_i codoped TiO₂ clearly shows an optical transition. These results indicate that N_sB_i codoped TiO₂ has a dominant contribution to the optical absorption of N,B‐codoped TiO₂. (© 2012 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

Investigation of electronic and optical properties in Al−Ga codoped ZnO thin films

Electronic and optical properties of Al−Ga codoped ZnO thin films were investigated by post-annealing. The lowest resistivity of the Al-Ga codoped ZnO films was observed from the 450 °C-annealed sample. The Fermi-level shift of the Al−Ga codoped ZnO film was ∼0.6 eV from x-ray photoelectron spectroscopy, and the widening of optical-bandgap in the Al−Ga codoped ZnO film was ∼0.3 eV. The correlations of optical-bandgap with Fermi-level shift and conduction band filling were suggested by schematic band diagrams.     

Mn,N共掺杂对锐钛矿相TiO2微观结构和性能的影响

采用第一性原理平面波超软赝势方法,系统研究了Mn,N共掺杂对锐钛矿相TiO₂的晶体结构、缺陷形成能、电子结构、光学性质以及氧化还原能力的影响.研究表明:Mn,N共掺杂锐钛矿相TiO₂后,TiO₂晶格发生了畸变,导致晶体八面体偶极矩增加,有利于光生电子-空穴对的有效分离;在TiO₂带隙中出现了杂质能级,使锐钛矿相TiO₂的光学吸收带边红移,可见光区的吸收系数明显增大,有利于光催化效率的提高;在不考虑 关键词： 2')" href="#">锐钛矿相TiO₂ 第一性原理 Mn和N共掺杂 光催化性能     

N,Co共掺杂锐钛矿相YiO2光催化剂的第一性原理研究

采用第一性原理平面波超软赝势方法研究了N,Co共掺杂锐钛矿相TiO2的微观结构和光学性质.结果表明:N,Co共掺杂后TiO2晶格中产生的偶极矩使光生电子-空穴对更有效地分离;在TiO2导带和价带之间形成了新的杂质能级,一方面使吸收带边红移到可见光区,光吸收性能明显增强,另一方面有利于光生电子-空穴对的分离,提高TiO2的光量子效率;与纯TiO2相比,N,Co共掺杂锐钛矿相TiO2带边的氧化还原势只有微小的变化,共掺杂后TiO2的强氧化还原能力得以保持.     

替位和间隙原子N对ZnO电子结构和光学性质的影响

本文采用密度泛函理论，深入研究了N作为替位和间隙原子对ZnO电子结构和光学性质的影响，结果表明：由于N在八面体间隙位置的形成能小所以更倾向于占据八面体间隙位置；N掺杂ZnO会形成p型半导体；N在间隙位置能够明显的缩小带隙宽度，可以有效的促进ZnO对光的吸收；在可见光区，处于间隙位置的N具有良好的光学吸收谱并且产生明显的红移，这与带隙的变化规律一致。     

V-N共掺纤锌矿ZnO光催化性质的第一性原理研究

基于第一性原理的密度泛函理论对V, N单掺杂和V-N共掺杂ZnO的电子结构和光学性质进行了对比研究. 结果表明:三种掺杂均在可见光区域出现光吸收增强的现象, 其中V-N共掺最为明显; 结合能的计算发现V-N共掺的ZnO体系相对V, N单掺而言结构更稳定, 因此V-N共掺的ZnO是一种稳定而有效的光催化剂. 进一步研究表明, 阴-阳离子共掺的形式可以很好地应用于光电化学领域, 并可以制备出高性能稳定的短波光电材料. 关键词： 基于ZnO的光催化剂 电子结构 光催化性质