卤化硅烯结构、电子和光学性质的第一性原理研究

二维硅烯的商业用途通常受到其零带隙的抑制,限制了其在纳米电子和光电器件中的应用.利用基于密度泛函理论的第一性原理计算,单层硅烯的带隙通过卤原子的化学官能化被成功打开了,并综合分析了卤化对单层硅烯的结构,电子和光学性质的影响.研究结果表明卤化使结构变得扭曲,但保持了良好的稳定性.通过HSE06泛函,全功能化赋予硅烯1.390至2.123 eV的直接带隙.键合机理分析表明,卤原子与主体硅原子之间的键合主要是离子键.最后,光学性质计算表明,I-Si-I单层在光子频率为10.9 eV时达到最大光吸收,吸收值为122000 cm^-1,使其成为设计新型纳米电子和光电器件的有希望的候选材料.     

稀土元素Gd掺杂BiFeO3的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的局域自旋密度近似加U法（LSDA+U:Hubbard参数）计算了多铁材料BiFeO3铁电相以及稀土元素Gd掺杂BiFeO3材料的能带结构、态密度（DOS）、原子轨道占据数和净电荷分布等,对稀土元素Gd掺杂BiFeO3可能引起的电子结构、介电常数和铁磁性的改变进行了第一性原理研究。计算结果表明：Gd掺杂对材料钙钛矿结构影响不大,BiFeO3铁电性主要来源于Fe原子3d轨道和O原子2p轨道杂化;掺杂Gd后材料中的Fe原子和O原子的共价性减弱,Bi原子和O原子的离子性增强,禁带宽度变窄,绝缘性减弱,铁磁性明显增强;计算得到的光学性质表明材料的静态介电常数有所增加。     

稀土元素Gd掺杂BiFeO3的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的局域自旋密度近似加U法（LSDA+U:Hubbard参数）计算了多铁材料BiFeO3铁电相以及稀土元素Gd掺杂BiFeO3材料的能带结构、态密度（DOS）、原子轨道占据数和净电荷分布等,对稀土元素Gd掺杂BiFeO3可能引起的电子结构、介电常数和铁磁性的改变进行了第一性原理研究。计算结果表明：Gd掺杂对材料钙钛矿结构影响不大,BiFeO3铁电性主要来源于Fe原子3d轨道和O原子2p轨道杂化;掺杂Gd后材料中的Fe原子和O原子的共价性减弱,Bi原子和O原子的离子性增强,禁带宽度变窄,绝缘性减弱,铁磁性明显增强;计算得到的光学性质表明材料的静态介电常数有所增加。     

第一性原理研究稀土掺杂ZnO结构的光电性质

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,运用Castep计算分析了Er, Gd两种稀土元素掺杂的ZnO结构, 对本征ZnO和掺杂晶体的能带结构、态密度以及光学性质进行了分析对比. 由掺杂前后的结果分析发现,稀土掺杂的ZnO结构引入了由稀土原子贡献的导电载流子, 增强了体系的电导率, 费米能级上移进入导带. 研究表明由于稀土元素的掺入, ZnO结构在费米能级附近出现了杂质能带, 这是由稀土的4f态电子所形成. 同时, 纯净ZnO与Er-ZnO, Gd-ZnO和(Er, Gd)-ZnO的介电函数虚部有明显的差异. 在光学性质上, 掺杂ZnO在可见光区的吸收系数和反射率都比纯净ZnO高, 能量损失峰出现红移现象. 关键词： ZnO 稀土 掺杂 第一性原理     

缺陷黄铜矿结构Xga2S4 (X=Zn,Cd, Hg)晶体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(DFT)的第一性原理超软赝势方法对缺陷黄铜矿结构XGa₂S₄ (X=Zn, Cd, Hg)晶体的晶格结构、电学以及光学性质进行了对比研究. 分析比较了它们的晶格常数、键长、能带结构、态密度、介电函数、折射率和反射系数等性质, 并总结其变化趋势. 结果表明: 这三种材料的光学性质在中间能量区域(4 eV–10 eV)表现出较强的各向异性, 而在低能区域(<4 eV)和高能区域(>10 eV)各向异性较弱. ZnGa₂S₄和HgGa₂S₄两种材料的折射率曲线在等离子体频率ω_p处有一明显的拐点, 反射系数在ω_p处达到最大值后急剧下降. 三种晶体的强反射峰均处于紫外区域, 因此可以用作紫外光屏蔽或紫外探测材料. 关键词： 缺陷黄铜矿结构 电子结构 光学性质 第一性原理计算     

Co掺杂6H-SiC的第一性原理研究

此文用第一性原理密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA)的平面波赝势法(PBE),计算了未掺杂及Co替位Si掺杂的6H-SiC体系的电子结构与光学特性,获得了Co掺杂将导致6H-SiC由带隙为2.016 eV的间接带隙半导体变成带隙为0.071 eV的p型半导体,且有磁性;掺杂后能带结构中出现由Co的3d能级造成的杂质能级;且载流子浓度提升,使得材料的导电性得到提高;替换掺杂使得6H-SiC在光学性质方面有所变化,介电函数实部和虚部在低能级处增大,吸收光谱从未掺杂的3.2 eV开始吸收变为略高于0 eV就开始;反射谱与电导率曲线发生红移等有益结果.     

碳和氧掺杂紫磷烯作为双极磁性半导体材料的理论预测

紫磷烯是一种结构稳定且具有优异光电特性的新型二维材料,研究掺杂效应有助于理解其物理本质,对进一步开发纳米电子器件具有重要意义.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了非金属元素B,C,N,O掺杂单层紫磷烯的电磁性质.计算结果表明,B和N掺杂之后没有产生磁性,体系依旧表现为非磁性半导体;而C和O掺杂导致体系发生自旋劈裂,紫磷烯由非磁性半导体转变成为双极磁性半导体,其自旋密度主要分布在磷原子和间隙区域内而非杂原子上.电场调控氧掺杂紫磷烯可使其载流子的自旋极化方向发生反转,当施加一定大小的正向或反向的静电场时,能带色散程度变强,氧掺杂紫磷烯转变成100%自旋极化向下或向上的单自旋半金属磁体.基于氧掺杂紫磷烯材料设计的场效应自旋滤通器可利用改变门电压方向的方法实现电流自旋极化方向的反转,表明氧掺杂紫磷烯有望成为二维自旋场效应晶体管、双极磁性自旋电子学器件、双通道场效应自旋滤通器以及场效应自旋阀的理想候选材料.     

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%.     

Fe和Ni共掺杂ZnO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Fe,Ni单掺杂和(Fe,Ni)共掺杂纤锌矿型ZnO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：掺杂体系的费米能级附近电子态密度主要来源于Fe 3d,Ni 3d态电子的贡献;与纯净ZnO相比,Fe,Ni单掺杂和(Fe,Ni)共掺杂ZnO的介电函数虚部均在0.46eV左右出现了一个新峰;Fe,Ni单掺杂和共掺杂ZnO的吸收光谱均发生明显的红移,并都在1.3eV处出现较强吸收峰.结合他人的计算和实验结果,给出了定性的讨 关键词： 氧化锌 掺杂 第一性原理 光学性质     

Ce掺杂6H-SiC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计算方法,对未掺杂及Ce掺杂6H-SiC的电子结构和光学性质进行理论计算.计算结果表明,未掺杂6H-SiC是间接带隙半导体,其禁带宽度为2.045 eV,掺杂Ce元素,带隙宽度下降为0.812 eV.未掺杂6H-SiC在价带的低能区,Si-3s、C-2s电子轨道对态密度的贡献较大,在价带的高能区,主要是由Si-3p、Si-3s、C-2p态组成.掺杂后Ce原子的4f轨道主要贡献在导带部分,掺杂后电导率提高.未掺杂时,只有一个介电峰,是价带电子跃迁到导带电子所致,掺杂后有两个介电峰,第一个介电峰是由于导带电子跃迁到Ce原子4f轨道上产生,第二个峰是价带电子向导带电子跃迁产生.未掺杂6H-SiC,在能量为10.31 eV处吸收系数达到最大值,掺杂后在能量为6.57 eV处,吸收系数达到最大值.     

Cr掺杂ZnO纳米线的电子结构和磁性

采用自旋极化密度泛函理论系统研究了Cr掺杂ZnO纳米线的电学、磁学以及光学属性.计算结果显示,Cr原子沿[0001]方向替代ZnO纳米线中的Zn原子时体系一般呈现铁磁耦合,沿[1010]和[0110]方向替代Zn原子时体系呈现反铁磁耦合,且磁性耦合状态在费米能级附近出现了明显的自旋劈裂现象,发生了强烈的Cr 3d和O 2p杂化效应.自旋态密度计算结果显示,磁矩主要来源于Cr原子未成对3d态电子的贡献,磁矩的大小与Cr原子的电子排布有关.光学性质计算结果显示,Cr掺杂ZnO纳米线在远紫外和近紫外都具有明显的吸收峰,吸收峰发生了明显的红移.这些结果都表明Cr掺杂ZnO纳米线也许是一种很有前途的稀磁半导体材料. 关键词： ZnO 纳米线 第一性原理 磁性     

Effect of non-metallic X(X=F,N, S) and Cr co-doping on properties of BiFeO3: A first-principles study

In this study, the structural, magnetic, electric and optical properties in X (X=F, N, S) and Cr co-doped BiFeO₃ (BFO) are calculated using the density functional theory. For Cr–X co-doping case, the structure of BFO undergo a phase transition from monoclinic to triclinic structure accompanying net magnetic moments of 5.92 μB, 6.04 μB and 7.80 μB, for Cr–F co-doping, Cr–N co-doping and Cr–S co-doping, respectively. The underlying physical mechanisms are the lattice distortions tunned by doping. The decreased Fe–O–Fe bond angles and Fe–O bond lengths will bring weak antiferromagnetism superexchange interaction. In addition, the band gaps of Cr–X co-doping cases are decreased from 2.20 eV (BFO bulk) to 1.31 eV and 1.80 eV for Cr–F co-doping and Cr–S co-doping, respectively, which are well for photovoltaic applications according to the well-known Shockley-Queisser criterion, suggesting a possible great improvement optical properties in Cr–X co-doped samples.     

Computationally predicting spin semiconductors and half metals from doped phosphorene monolayers

First-principles computations are performed to investigate phosphorene monolayers doped with 30 metal and nonmetal atoms. The binding energies indicate the stability of all doped configurations. Interestingly, the magnetic atom Co doping induces the absence of the magnetism while the magnetism is realized in phosphorene with substitutional doping of nonmagnetic atoms (O, S, Se, Si, Br, and Cl). The magnetic moment of transition metal (TM)-doped systems is suppressed in the range of 1.0-3.97 μ_B. The electronic properties of the doped systems are modulated differently; O, S, Se, Ni, and Ti doped systems become spin semiconductors, while V doping makes the system a half metal. These results demonstrate potential applications of functionalized phosphorene with external atoms, in particular to spintronics and dilute magnetic semiconductors.     

过渡金属(Ni)掺杂ZnV2O4的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论下的MS软件模拟了过渡金属Ni掺杂ZnV₂O₄前后的能带结构、态密度以及光学性质.结果表明：ZnV₂O₄具有间接的光学跃迁且能带间隙为0.355 eV,Ni掺杂后能带间隙增加为0.785 eV,且带隙类型不变,引入的Ni-3d轨道电子对ZnV₂O₄的价带和导带组成提供了较大贡献.光学性质结果表明ZnV₂O₄为一种低介电材料,在可见光区的吸收系数和折射率较低,主要表现为紫外吸收.掺杂Ni后,在可见光区的吸收特性和光电导率均增大,有效改善了ZnV₂O₄在可见光区的光电性能.     

Edge-functionalization of blue phosphorene nanoribbons: Studied from first-principle methods

Through density functional theory calculations, the impact of edge functionalization with O, OH, and alternate termination of them (OHO) on the structural stabilities, electronic and magnetic properties of blue phosphorene nanoribbons (BPNR) are mainly investigated. The formation energies demonstrate that the O-termination on the BPNRs is the most stable, and OHO-termination is more stable than OH-termination, besides the ab initio dynamic simulation show that they are all thermal dynamically stable at room temperature. Both the ground structures of O- and OH-BPNRs are spin-polarized semiconductors, while OH-functionalized BPNRs are nonmagnetic semiconductors. As the ribbon width increasing, the band gaps of O-aBPNRs tend to 1.04 eV, but that of OH-aBPNRs tend to 1.97 eV, comparable with the band gap of single-layer blue phosphorene, since it is dominated by pz electrons of the inner P atoms. In contrast, the influence of OHO-termination on GNRs, SiNRs, and black PNRs are also studied. Our results demonstrate that OHO-terminated GNRs and SiNRs are not a simple summation of O- and OH-terminated GNRs and SiNRs, and they are nonmagnetic stable both with zigzag and armchair edges, presenting metallic properties. While the OHO-terminated black PNRs present similar electronic and magnetic properties with OHO-terminated blue PNRs, and both the OHO-terminated zigzag and armchair edges are spin-polarized stable. These results provide potential help in the fields of band gap engineering and the designing of phosphorus-based spin devices with control over spin in spintronics.     

Ag-Cr共掺LiZnP新型稀磁半导体的光电性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法,对纯Li Zn P, Ag/Cr单掺和Ag-Cr共掺Li Zn P新型稀磁半导体进行了结构优化,计算并分析了掺杂体系的电子结构、磁性、形成能、差分电荷密度和光学性质.结果表明:非磁性元素Ag单掺后,材料表现为金属顺磁性;磁性元素Cr单掺后, sp-d杂化使态密度峰出现劈裂,体系变成金属铁磁性;而Ag-Cr共掺后,其性质与Ag和Cr单掺完全不同,变为半金属铁磁性,带隙值略微减小,导电能力增强,同时形成能降低,原子间的相互作用和键强度增强,晶胞的稳定性增强.通过比较光学性质发现,掺杂体系的介电函数虚部和光吸收谱在低能区均出现新的峰值,且当Ag-Cr共掺时介电峰峰值最高,同时复折射率函数在低能区发生明显变化,吸收边向低能方向延展,体系对低频电磁波吸收加强.     

碳、氧、硫掺杂二维黑磷的第一性原理计算

基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,研究了二维黑磷中的碳原子(C P)、氧原子(C P)、硫原子(S P)掺杂的几何结构、磁学性质和电子结构.发现掺杂体系结构稳定,C P和O P体系形变较大,而S P体系形变较小;二维黑磷本身无磁矩,掺杂后都具有1μB的总磁矩.由于掺杂体系具有稳定的铁磁性,使其在自旋电子器件方面可发挥重要的作用.     

掺杂Si/SiO_2界面电子结构与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方法,在局域密度近似(LDA)下研究了B掺杂Si/SiO_2界面及其在压强作用下的电子结构和光学性质.能带的计算结果表明:掺杂前后Si/SiO_2界面均属于直隙半导体材料,但掺B后界面带隙由0. 74 eV减小为0. 57 eV,说明掺B使材料的金属性增强;对B掺杂Si/SiO_2界面施加正压强,发现随着压强不断增大,Si/SiO_2界面的带隙呈现了逐渐减小的趋势,并且由直隙逐渐转变为间隙.光学性质的计算结果表明:掺B对Si/SiO_2界面在低能区(即红外区)的介电函数虚部、吸收系数、折射率以及反射率等光学参数有显著影响,且在红外区出现新的吸收峰;对B掺杂Si/SiO_2界面施加正压强,随着压强增大,红外区的吸收峰逐渐消失,而在紫外区出现了吸收峰.上述结果表明,对Si/SiO_2界面掺B及施加正压强均可调控Si/SiO_2界面的电子结构与光学性质.本文的研究为基于Si/SiO_2界面的光电器件研究与设计提供一定的理论参考.     

(Cu,N)共掺杂TiO2/MoS2异质结的电子和光学性能:杂化泛函HSE06

在密度泛函理论的基础上,系统地研究了Cu/N（共）掺杂的TiO₂/MoS₂异质结体系的几何结构、电子结构和光学性质.计算发现,TiO₂/MoS₂异质结的带隙相比于纯的TiO₂（101）表面明显变小,Cu/N（共）掺杂TiO₂/MoS₂异质结体系的禁带宽度也明显地减小,这导致光子激发能量的降低和光吸收能力的提高.通过计算Cu/N（共）掺杂TiO₂/MoS₂的差分电荷密度,发现光生电子与空穴积累在掺杂后的TiO₂（101）表面和单层MoS₂之间,这表明掺杂杂质体系可以有效地抑制光生电子-空穴对的复合.此外,我们计算了在不同压力下TiO₂/MoS₂异质结的几何、电子和光学性质,发现适当增加压力可以有效提高异质结的光吸收性能.本文结果表明,Cu/N（共）掺杂TiO₂/MoS₂异质结和对TiO₂/MoS₂异质结加压都能有效地提高材料的光学性能.     

Tunable magnetism through edge functionalization in zigzag green phosphorene nanoribbons

Ab initio density-functional theory calculations with spin polarization are performed to explore magnetic properties in zigzag green phosphorene nanoribbons (ZGPNRs) with no passivation or edge-saturated by H, OH and O chemical species. It is found that antiferromagnetic order at intra-edges is the most energetically favorable for the pristine and oxygen passivated ribbons, while H- or OH-saturated ZGPNRs show nonmagnetic order. It indicates that edge states arising from the unsaturated bonds are vital for the formation of the magnetic moment in the ZGPNRs. The magnitude of the edge magnetism in the pristine and O-saturated ZGPNRs is comparable to that in zigzag black phosphorene nanoribbons. Electronic band structures, spin densities and spd-orbital projected density of states for the studied pristine and O-passivated ZGPNRs are further analyzed to study their electronic properties. The magnetic and electronic properties discovered in the ZGPNRs may suggest potential applications in future spintronics and electronics.