本征空位缺陷对ZnO:Mn体系电子特性及磁性的影响

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势法,分析了ZnO:Mn掺杂体系中本征空位缺陷V_(Zn)和V_O分别出现在相对Mn为近邻、次近邻、远次近邻位置时体系的晶体结构、能带分布、态密度和磁性.结果表明:ZnO:Mn体系中V_(Zn)比V_O更容易产生,且两种缺陷均更容易在Mn的近邻位置形成.其中V_(Zn)的出现没有明显改变ZnO:Mn体系的带隙,然而会使体系的导电性增加,且V_(Zn)与Mn的距离越远,导电性越强.同时,V_(Zn)减弱了体系的磁性,但与V_(Zn)的位置无关. V_O的出现会使体系带隙变宽,且电导率显著低于无缺陷ZnO:Mn体系,但是其导电性会随着V_O与Mn的距离变远而增强.同时,V_O的出现不会影响体系原来的磁性.     

内在缺陷与Cu掺杂共存对ZnO电磁光学性质影响的第一性原理研究

采用基于自旋密度泛函理论的平面波超软赝势方法,研究了Cu掺杂ZnO (简称Cu_(Zn))与内在缺陷共存对ZnO电磁光性质的影响.结果表明,Cu是以替位受主的形式掺入的;制备条件对Cu_(Zn)及内在缺陷的形成起至关重要的作用,富氧条件下Cu掺杂有利于内在缺陷的形成,且Cu_(Zn)-O_i最易形成;相反在缺氧条件下,Cu掺杂不利于内在缺陷的形成.替位Cu的3d电子在价带顶形成未占据受主能级,产生p导电类型.与Cu_(Zn)体系相比,Cu_(Zn)-V_O体系中载流子浓度降低,导电性变差;Cu_(Zn)-V_(Zn)体系中载流子浓度几乎不变,对导电性没影响;Cu_(Zn)-O_i体系中载流子浓度升高,导电性增强.纯ZnO体系无磁性;而Cu掺杂ZnO体系,与Cu原子相连的O原子,电负性越小,键长越短,对磁矩贡献越大;Cu_(Zn)与Cu_(Zn)-O_i体系中的磁矩主要是Cu的3d电子与Z轴上O的2p电子耦合产生的;Cu_(Zn)中存在空位缺陷(V_O,V_(Zn))时,磁矩主要是Cu 3d电子与XY平面内O的2p电子强烈耦合所致;Cu_(Zn)中存在V_(Zn)时,磁性还包含V_(Zn)周围0(5, 6)号原子2p轨道自旋极化的贡献;所有体系中Zn原子自旋对称,不产生磁性.Cu_(Zn)-V_(Zn)和Cu_(Zn)-O_i缺陷能态中,深能级中产生的诱导态是0-0 2s电子相互作用产生的.Cu_(Zn)模型的光学带隙减小,导致吸收边红移;Cu_(Zn)-V_(Zn)模型中吸收和反射都增强,使得透射率降低.     

贵金属（Cu、Ag、Au）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,对贵金属（Cu、Ag、Au）掺杂ZnO进行了几何结构优化,并计算了相应的能带结构、受主能级、形成能、电子态密度和光学性质. 结果表明：贵金属掺杂后带隙增加且体系费米能级附近电子态密度主要来源于Cu3d、Ag4d和Au5d态电子的贡献. 与未掺杂ZnO相比,介电函数虚部、反射峰强度和吸收系数在可见光和紫外区域增强. 能量损失谱计算表明,贵金属（Cu、Ag、Au）掺杂后ZnO的等离子体共振频率峰发生蓝移.     

Mn-N共掺p型ZnO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超软赝势法对ZnO(Mn,N)体系的晶格结构、形成能、态密度以及电荷密度进行了计算和理论研究.研究结果表明,Mn和N共掺杂ZnO体系具有更低的杂质形成能和更高的化学稳定性,更加适合p型掺杂.Mn和N以1:2的比例掺杂时,体系的形成能降低,体系更稳定;同时,体系中形成双受主能级缺陷,使得杂质固溶度增大,体系中载流子数增多,p型化特征更明显.此外,研究发现相比于N单掺杂ZnO体系,Mn和N原子共掺杂ZnO体系有更多的杂质态密度穿越费米能级,在导带与价带之间形成更宽的受主N 2p的杂质态,同时空穴有效质量变小.与Mn-N共掺杂体系相比,Mn-2N共掺杂体系的受主杂质在费米能级附近的态密度更加弥散,非局域化特征明显.因此,Mn-N共掺杂有望成为p型掺杂的更有效的手段.     

TiO_2缺陷结构电子性质的第一性原理计算

本文采用第一性原理研究了O空位缺陷、Ti空位缺陷TiO_2的能带结构、总态密度、吸收谱.通过研究发现:与TiO_2超胞结构的能带相比,O空位缺陷体系的价带与导带能量均向低能区域移动,费米能级与导带底交错,呈现出n型半导体,Ti空位缺陷的TiO_2的费米能级与价带顶部的能级交错,为p型半导体材料.对于O空位缺陷TiO_2总态密度与分波态密度在低能区的态密度则主要由O的3s、3p轨道贡献的能量,而在费米能附近的态密度则主要由Ti的4d轨道贡献能量;Ti空位缺陷的态密度总态密度仍然由O的3s、3p和Ti的4d轨道贡献的能量;同时分析吸收光谱发现峰值下移较多的是钛缺陷体系,其原因在于Ti缺陷结构中未成键电子的相互作用.     

空位浓度对纤锌矿BN电子结构和光学性质影响的第一性原理研究

本文采用了第一性原理研究了空位缺陷纤锌矿BN的电子结构和光学性质.通过对能带结构、态密度分析发现：缺陷体系由于B、N的缺失,费米能级附近出现杂质能级.相较于本征体系,随着空位浓度增加,杂质能级变多,跃迁能量减小. N空位缺陷的纤锌矿BN态密度总体向低能区移动,且能级相较于B空位缺陷的纤锌矿BN明显增多.从复介电函数和光学吸收谱分析中发现,随着空位浓度的增加,缺陷体系纤锌矿BN在可见光区域的吸收逐渐增强.尤其是B₂₂N₂₄在可见光区域出现的吸收效果更好.     

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     

利用第一性原理研究Ni掺杂ZnO铁磁性起源

采用基于密度泛函理论和局域密度近似的第一性原理分析了Ni掺杂ZnO磁性质.文中计算了8个不同几何结构的铁磁(FM)和反铁磁耦合能量,结果表明FM耦合更稳定.态密度结果显示Ni 3d 与O 2p发生杂化,导致费米能级附近电子态自旋极化.文中也分析了O空位对Ni掺杂ZnO铁磁性质的影响,O空位通过诱导电子调节FM耦合,从而稳定Ni掺杂ZnO铁磁性质,其强度足以引发室温铁磁性.通过Ni 3d能级耦合具体分析了Ni 掺杂ZnO铁磁性起源.另外,也分析了晶格应变对Ni掺杂ZnO FM耦合的影响. 关键词： 第一性原理 半导体 铁磁性 缺陷     

K-2N双受主共掺杂P型ZnO的第一性原理研究

本文采用基于第一性原理的密度泛函理论(DFT)平面波超软赝势方法,计算了未掺杂ZnO和K,K-2N掺杂ZnO体系的晶体结构、能带、电子态密度与光学性质.研究表明:K掺杂ZnO体系,带隙变宽,在费米能级附近引入了较浅的受主能级,费米能级进入到价带中.而K-2N共掺杂体系中,带隙变窄,形成了浅受主能级,这个对改善ZnO的p...     

Pt基电极材料硫中毒机理的计算机模拟研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法和超原胞模型,计算并分析了Pt及Cu掺杂的Pt基合金的表面态密度,以及S在Pt及Pt基合金表面的吸附能和态密度情况.考虑了多种掺杂体系及吸附构型,结果表明：Cu掺杂会降低Pt基体系表面费米能级附近态密度,Pt皮肤的存在可以有效地减小Cu掺杂对体系表面态密度的影响;与S在纯Pt表面吸附相比较,S在掺杂体系表面的吸附能较小,且S的吸附对掺杂体系费米能级附近表面态密度影响较小. 以上研究结果有助于为改善Pt基电极材料的催化性能,尤其是其抗S中毒性能提供理论依据.     

La掺杂和空位对ZnS磁性和光学性能影响的第一性原理研究

利用密度泛函理论框架下的平面波超软赝势法,通过第一性原理对La掺杂与Zn空位(V_(Zn))及La掺杂与S空位(V_S)共存的ZnS体系的电子结构、磁性机理、形成能及吸收光谱进行了研究.结果表明, La掺杂与空位(V_(Zn)或V_S)的空间位置最近时,掺杂体系的形成能最低,体系最稳定.另外,La掺杂与Zn空位共存时,体系具有磁性,且体系的净磁矩与La原子与Zn空位的相对位置有关;La掺杂与S空位共存时,掺杂体系无磁性,但此时体系的禁带宽度最窄且吸收光谱红移最显著.     

Density functional investigation of structural, electronic and optical properties of Ge-doped ZnO

Recent experiments reported fascinating phenomenon of photoluminescence (PL) blueshift in Ge-doped ZnO. To understand it, we examined the structural, electronic and optical properties of Ge-doped ZnO (ZnO:Ge) systematically by means of density functional theory calculations. Our results show that Ge atoms tend to cluster in heavily doped ZnO. Ge clusters can limit the conductivity of doped ZnO but reinforce the near-band-edge emission. The substitutional Ge for Zn leads to Fermi level pinning in the conduction band, which indicates Ge-doped ZnO is of n-type conductivity character. It is found that the delocalized Ge 4s states hybridize with conduction band bottom, and is dominant in the region near the Fermi level, suggesting that Ge-4s states provides major free carriers in ZnO:Ge crystal. The observed blueshift of PL in Ge-doped ZnO originates from the electron transition energy from the valence band to the empty levels above Fermi level larger than the gap of undoped ZnO. The electron transition between the gap states induced by oxygen vacancy and conduction band minimum may be the origin of the new PL peak at 590 nm.     

Cu掺杂ZnO稀磁半导体磁电性能影响的模拟计算

在Cu重掺杂量摩尔数为0.02778–0.16667的范围内, 对ZnO掺杂体系磁电性能影响的第一性原理研究鲜见报道. 采用基于自旋密度泛函理论的平面波超软赝势方法, 用第一性原理计算了两种不同Cu单掺杂量Zn_1-xCu_xO (x=0.02778, 0.03125)超胞的能带结构分布和态密度分布. 结果表明, 掺杂体系是半金属化的稀磁半导体; Cu掺杂量越增加、相对自由空穴浓度越增加、空穴有效质量越减小、电子迁移率越减小、电子电导率越增加. 此结果利用电离能和Bohr半径进一步获得了证明, 计算结果与实验结果相符合. 在限定的掺杂量0.02778–0.0625 的条件下, Cu单掺杂量越增加、掺杂体系的体积越减小、总能量越升高、稳定性越下降、形成能越升高、掺杂越难. 在相同掺杂量、不同有序占位Cu双掺ZnO体系的条件下, 双掺杂Cu-Cu间距越增加, 掺杂体系磁矩先增加后减小; 当沿偏a轴或b轴方向Cu–O–Cu相近邻成键时, 掺杂体系会引起磁性猝灭; 当沿偏c轴方向Cu–O–Cu相近邻成键时, 掺杂体系居里温度能够达到室温以上的要求. 在限定的掺杂量0.0625–0.16667的条件下, 沿偏c轴方向Cu–O–Cu相近邻成键时, Cu 双掺杂量越增加, 掺杂体系总磁矩先增加后减小. 计算结果与实验结果变化趋势相符合.     

First-principles study of single intrinsic vacancy formation and its effect on the electronic density states and magnetic moment of V-doped ZnO

We calculated the formation energy of single vacancy in V-doped ZnO in different conditions (oxygen or zinc rich) by first principles. Effect of an intrinsic vacancy on the electronic density of states and magnetic moment of V-doped ZnO (Zn₁₅VO₁₆) with and without single vacancy was also calculated. Our calculation was performed by the CASTEP program within spin-polarized GGA approximation implemented in materials studio software. The formation energy showed that oxygen vacancy inclined to stay far from vanadium (V) and zinc vacancy preferred to stay at a position near V. The calculated formation energy also showed that a zinc vacancy may automatically occur but an oxygen vacancy may not appear automatically. Vanadium doping introduced spin-polarization around Fermi level. For an energy favorable vacancy, an oxygen vacancy had little effect on the electronic density of states. A zinc vacancy made the spin-polarization peaks around Fermi level broaden and decreased their magnitude. For the magnetic moment in energy favorable configurations, an oxygen vacancy had little effect on the magnetic moment; a zinc vacancy significantly decreased the magnetic moment (as high as 63.7%). Changes in magnetic moments were consistent with electronic density of states. Our calculation may interpret various experimental magnetic moment values. Our work also provided a reference for preparing V-doped ZnO-based dilute magnetic semiconductors.     

二氧化铈基稀磁氧化物的第一性原理研究

基于第一性原理的计算方法研究了纯CeO_2、Co掺杂CeO_2和同时引入氧空位Vo和Co掺杂的CeO_2稀磁半导体体系.通过计算体系的能带结构和态密度,探讨了该体系磁性产生的机制.计算发现,纯CeO_2体系不具有磁性;没有氧空位Vo的Co掺杂CeO_2体系中,Co离子之间通过O原子发生超交换反铁磁耦合,体系无铁磁性;当氧空位Vo和Co离子同时存在于CeO_2体系中时,Co离子之间通过氧空位Vo发生铁磁耦合,该体系表现出铁磁性能.另外,由氧空位Vo诱导的Co离子之间的铁磁耦合不仅发生在紧邻的两个Co离子,而且可以扩展到几个原子距离的长度.计算结果证明了氧空位Vo诱导铁磁性耦合机制.本文工作将为CeO_2基稀磁半导体体系制备与磁学性质的研究提供支持.     

Ru掺杂对闪锌矿ZnO磁光机理的影响

采用第一性原理方法,计算了Ru掺杂量为3.125 mt%—9.375 mt%范围内闪锌矿ZnO的电子结构、磁性参数和光学性质.计算结果表明,Ru掺杂量越高,体系的形成能越低,掺杂越容易,体系稳定性越高. Ru掺杂量为3.125 mt%时,体系表现出铁磁性;Ru掺杂量为6.25 mt%时,Ru-Ru间距为0.5671 nm的体系表现出铁磁性,Ru-Ru间距为0.4630 nm的体系表现出反铁磁性;Ru掺杂量为9.375 mt%时,体系表现出亚铁磁性.铁磁性系统的Ru-4d态在费米能级附近发生了明显的自旋劈裂效应,磁矩主要来源于Ru-4d态和O-2p态.上述特性说明,通过控制Ru在ZnO中的掺杂方式以及浓度,可以实现体系磁性的转变.在红外和远红外区域,掺杂对光学性质有较为显著的影响,各个掺杂方式均使该区域的吸收系数和反射率显著增大.这表明Ru掺杂闪锌矿ZnO可应用于磁、光一体的半导体材料.