N空位对Cu掺杂AlN电磁性质的影响的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的平面波超软赝势法研究了N空位对Cu掺杂AlN的电子结构和磁学性质的影响.结果表明,与Cu最近邻的N原子更易失去形成N空位.N空位的引入减小了Cu掺杂AlN体系的半金属能隙;减弱了Cu及其近邻N原子的自旋极化的强度以及Cu3d与N2p轨道间的杂化,因而减小了体系的半金属铁磁性.因此,制备Cu掺杂AlN稀磁半导体时应尽可能地避免N空位的产生.     

N空位对Cu掺杂AlN电磁性质的影响的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的平面波超软赝势法研究了N空位对Cu掺杂AlN的电子结构和磁学性质的影响。结果表明,与Cu最近邻的N原子更易失去形成N空位。N空位的引入减小了Cu掺杂AlN体系的半金属能隙;减弱了Cu及其近邻N原子的自旋极化的强度以及Cu3d与N2p轨道间的杂化,因而减小了体系的半金属铁磁性。因此,制备Cu掺杂AlN稀磁半导体时应尽可能地避免产生N空位。     

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.     

Ga空位对GaN:Gd体系磁性影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理结合投影缀加平面波的方法,研究了GaN中Ga被稀土元素Gd替代以及与邻近N或Ga空位组成的缺陷复合体的晶格常数、磁矩、形成能以及电子结构等性质.结果发现,Gd掺杂GaN后禁带宽度变窄,由直接带隙半导体转为间接带隙半导体;单个Gd原子掺杂给体系引入大约7μB的磁矩;在Gd与Ga或N空位形成的缺陷复合体系中,N空位对引入磁矩贡献很小,大约0.1μB,Ga空位能引入约2μB的磁矩.随着Ga空位的增多,体系总磁矩增加,但增加量与Ga空位的位置分布密切相关.当Ga空位分布较为稀疏时,Gd单原子磁矩受影响较小,但当Ga空位距离较近且倾向于形成团簇时,Gd单原子磁矩明显增加,而且这种情况下空位形成能也最小.     

空位缺陷对β-AgVO_3电子结构和光吸收性能的影响

基于密度泛函的第一性原理研究了Ag空位、O空位和Ag-O双空位对β-AgVO_3的电子结构及光学性质的影响.采用广义梯度近似平面波超软赝势GGA+U方法,对不同缺陷体系的形成能、能带结构、电子态密度、差分电荷密度和吸收光谱进行了计算和分析.通过比较不同Ag空位和O空位的形成能,确定了β-AgVO_3中主要形成Ag3空位和O1空位,并且Ag空位较O空位更容易形成.Ag3空位和O1空位的存在都使得β-AgVO_3带隙有一定程度的减小;Ag3空位使β-AgVO_3呈现p-型半导体性质,而O1空位和Ag3-O1双空位使β-AgVO_3呈现n-型半导体性质.Ag3和O1空位对晶体在可见光范围内的光吸收影响较小.     

本征缺陷对β-Ga2O3光催化性质影响的第一性原理研究

运用第一性原理杂化泛函研究了本征缺陷(O空位和Ga空位)对于β-Ga₂O₃的几何结构和电子性质的影响.计算结构表明:杂化泛函B3LPY能很好的描述β-Ga₂O₃的几何结构和电子结构,能与实验符合.含O缺陷的形成能在富氧和贫氧下分别为4.04和0.92 eV,优于含Ga缺陷的体系.空位缺陷的出现对于理想Ga₂O₃的晶格参数影响不显著,只是在O空位体系中,空位附近Ga-O键长有0.1?变化.含空位缺陷的体系的禁带中都有缺陷能级的出现,含Ga和O空位缺陷的Ga₂O₃的光跃迁能分别为1.93 eV(β自旋)和2.92 eV,有很明显的光吸收的拓展,从理论上解释了Ga₂O₃作为光催化材料的潜在应用.     

纤锌矿ZnO：Cu体系空位缺陷的电磁特性理论研究

ZnO:Cu体系具有p型导电性并出现室温铁磁性,但是对于其磁性来源还颇有争议.用Cu掺杂ZnO晶体容易增加空位缺陷产生的几率,从而使ZnO:Cu体系产生磁性.因此,本文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ZnO:Cu及其本征空位缺陷体系进行了理论研究,分别计算分析了ZnO:Cu超晶胞中相对Cu为近邻、次近邻、远近邻位置锌空位和氧空位的出现后体系的晶格结构、形成能、能带结构、态密度以及磁矩,以便准确合理地对其电磁特性进行判定.结果表明,ZnO:Cu远近邻VZn容易形成且其费米能级附近态密度较无缺陷体系增大,导电性增强;而含VO的缺陷体系禁带远远增大且变为间接带隙半导体,其费米能级处的态密度几乎不变或微弱减小,导电性无增强.Cu近邻VZn和VO的引入会导致ZnO:Cu掺杂系统的磁性相几乎或完全消失,但较远VO的出现无法显著改变磁性,较远VZn的出现使体系磁性增强.因此,在实验过程中要实现ZnO:Cu掺杂体系的良好电磁特性,应尽量避免Cu近邻VZn和VO的出现,而有效利用远近邻锌空位缺陷.     

Cu_3N弹性和热力学性质的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理全势线性缀加平面波方法,研究了立方反ReO3结构Cu3N在零温(0K)零压下的平衡晶格常数、体弹模量及其对压强的一阶导数,计算结果与其他实验及理论结果基本相符.同时得出Cu3N的弹性常数,Poisson比等,并分析出Cu3N在零温零压下是稳定的.通过准谐Debye模型计算Cu3N的热力学性质,得到了Cu3N的晶格常数、等压比热容、等容比热容、热胀系数与温度和压强之间的关系,同时计算出不同温度不同压强下其体弹模量及Debye温度的值。     

空位对纤锌矿型AlN自发极化影响的最大局域化Wannier函数方法研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了纤锌矿型AlN中引入不同电荷态的N空位和Al空位时结构中最大局域化Wannier函数,并根据Wannier函数的空间分布及空间分布的几何中心位置,对空位引起的晶体电子结构变化及[0001],[ˉ1010],[ˉ12ˉ10]晶向上的自发极化进行了研究.结果表明,利用最大局域化Wannier函数分析电子结构具有直观的特点,清晰地表明N—Al键具有较强的离子性.研究发现,N空位结构中悬挂键上电荷向空位处转移,而Al空位结构中悬挂键上电荷则远离空位,沿悬挂键方向移动到N原子一侧.同时发现,空位的引入破坏了[ˉ1010],[ˉ12ˉ10]晶向上的中心对称结构,产生了极化,且极化强度随着空位电荷态的增加而增大.在[0001]晶向上,随着N空位电荷态的增加,空位周围电子结构发生了剧烈变化,使得自发极化发生了逆转,极化强度随着电荷态的增加而增大;而在Al空位中,随着电荷态的增加,自发极化沿原方向显著增加,但没有发生极化反转.     

含空位二维六角氮化硼电子和磁性质的密度泛函研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算, 研究了含B原子空位(V_B), N原子空位(V_N), 以及含B–N键空位 (V_B+N)缺陷的二维氮化硼(h-BN)的电子和磁性质. 在微观结构上, V_B体系表现为在空位附近的N原子重构成等腰三角形, V_N体系靠近空穴的B 原子形成等边三角形, V_B+N体系靠近空穴处的B和N原子在h-BN平面上重构为梯形. 三种空位缺陷都使h-BN的带隙类型从直接带隙转变为间接带隙. V_B体系的总磁矩为1.0 μ_B, 磁矩全部由N原子贡献. 其中空穴周围的三个N原子磁矩方向不完全一致, 存在着铁磁性和反铁磁性两种耦合方式. 对于V_N 体系, 整个晶胞内的总磁矩也为1.0 μ_B, 磁矩在空穴周围区域呈现一定的分布. 关键词： 二维h-BN 空位 电子结构 磁性     

(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.     

N/Cu共掺杂锐钛矿型TiO2第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法, 采用局域自旋密度近似加Hubbard U值方法研究了纯锐钛矿型TiO₂, N, Cu单掺杂TiO₂及N/Cu共掺杂TiO₂ 的晶体结构、电子结构和光学性质. 研究结果表明, 掺杂后晶格发生相应畸变, 晶格常数变大. N 和Cu的掺杂在TiO₂禁带中引入杂质能级, 禁带宽度发生相应改变. 对于N掺杂TiO₂禁带宽度减小较弱, 而Cu掺杂和N/Cu共掺TiO₂禁带宽度显著降低, 导致吸收光谱明显红移, 光学催化性增强, 有利于实际应用.     

Electronic structure and magnetic properties of(Cu,N)-codoped3C-SiC studied by first-principles calculations

The electronic structures and magnetic properties of the Cu and N codoped 3C-Si C system have been investigated by the first-principles calculation.The results show that the Cu doped Si C system prefers the anti-ferromagnetic(AFM) state.Compared to the Cu doped system,the ionicities of C–Cu and C–Si in Cu and N codoped Si C are respectively enhanced and weakened.Especially,the Cu and N codoped Si C systems favor the ferromagnetic(FM) coupling.The FM interactions can be explained by virtual hopping.However,higher N concentration will weaken the ferromagnetism.In order to keep the FM interaction,the N concentration should be restricted within 9.3% according to our analysis.     

不同浓度Cu掺杂AlN的电子结构和光学性质研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势和广义梯度近似的第一性原理计算方法,对理想纤锌矿AlN及不同浓度的Cu掺AlN的超晶胞结构进行了几何优化,计算并分析了它们的电子结构、磁电性质和光学性质.结果表明,掺杂后Cu3d态电子与其近邻的N2p态电子发生杂化,在带隙中引入杂质带,6.25%和12.5%的Cu掺杂体系表现出半金属铁磁性,体系总磁矩分别为2.56μв和2.42μв,25%的Cu掺杂体系表现出金属性.随着Cu浓度的增加,体系铁磁性反而减弱.Cu掺杂后体系介电函数虚部和复折射率函数在低能区发生明显变化,增强了体系对低频电磁波的吸收.当Cu浓度增加时体系对高频电磁波的吸收也随之加强.     

First-principles study of electronic structures and optical properties of Cu, Ag, and Au-doped anatase TiO2

We perform first-principles calculations to investigate the band structure, density of states, optical absorption, and the imaginary part of dielectric function of Cu, Ag, and Au-doped anatase TiO₂ in 72 atoms systems. The electronic structure results show that the Cu incorporation can lead to the enhancement of d states near the uppermost of valence band, while the Ag and Au doping cause some new electronic states in band gap of TiO₂. Meanwhile, it is found that the visible optical absorptions of Cu, Ag, and Au-doped TiO₂, are observed by analyzing the results of optical properties, which locate in the region of 400-1000 nm. The absorption band edges of Cu, Ag, and Au-doped TiO₂ shift to the long wavelength region compared with the pure TiO₂. Furthermore, according to the calculated results, we propose the optical transition mechanisms of Cu, Ag, and Au-doped TiO₂. Our results show that the visible light response of TiO₂ can be modulated by substitutional doping of Cu, Ag, and Au.     

过渡金属与氮共掺杂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框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,结合广义梯度近似(GGA)研究了过渡族金属(Mn,Fe,Co,Cu)与N共掺杂ZnO的能带结构、电子态密度分布、差分电荷密度和光学性质.计算表明Mn，Fe，Co与N共掺ZnO的光学性质与Mn，Fe，Co单掺杂相近，但是过渡族金属与N共掺杂有利于获得p型ZnO. 关键词： ZnO 第一性原理 电子结构 光学性质     

过渡金属Cu、Cr掺杂TiO2表面氧化性气体NO2光学气敏传感特性

采用密度泛函理论（DFT）体系广义梯度近似（GGA）第一性原理平面波超软赝势方法,分析锐钛矿型TiO₂（101）表面吸附NO₂分子光学气敏传感的微观机理.结果表明：Cu和Cr原子易于掺入TiO₂（101）表面,掺杂表面能稳定地吸附NO₂分子且吸附后光学性质发生显著变化.表面吸附NO₂分子后,Cu掺杂TiO₂（101）表面对分子的吸附能最大,吸附后结构更稳定,分子与表面的距离最短.通过分析差分电荷密度和电荷布居数发现,NO₂分子与基底表面间发生电荷转移,转移电子数目：Cu掺杂表面 > Cr掺杂表面 > 无掺杂表面.对比吸收光谱和反射光谱发现,在Cu掺杂表面吸附分子后,光学性质变化最明显,说明表面与吸附分子间氧化还原能力是决定光学气敏传感性能的核心因素.在过渡金属中,Cu与Cr都有4s价电子结构,其4s电子降低了材料表面氧空位的氧化性,增加了其还原性.对于氧化性气体,可以提升表面与分子的氧化还原作用,而Cu的4s电子更加活泼,从而光学气敏传感特性更加明显.因此,Cu掺杂的TiO₂对氧化性气体是一种较好的光学气敏传感材料.     

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.     

The electronic and optical properties of Cu doped CdI2

Based on the density functional pseudopotential method, the electronic structures and the optical properties of CdI₂ doped with Cu are investigated in detail. The calculation results indicate that the defect of Cu(Cd) exists steadily with a certain solubility. For the Cu doped CdI₂, the new highly localized impurity bands induced by Cu 3d states lie just across the Fermi energy at the top of the valence band. The doping of Cu induces reduction of band gap of CdI₂; red shifts are revealed in both the imaginary part of dielectric function and the absorption spectra corresponding to the change in band gaps. Moreover, the study of the reflection spectrum and the loss function shows that the doped Cu is responsible for the increased reflection peak intensity and the red shift of the plasma resonant frequency of CdI₂.     

In situ-monitored enhancement and quenching effect of Cu nanoclusters on Sm3+ photoluminescence in glass

An assessment of the influence of heat treatment temperature and retention time on the optical properties of a Cu⁺ and Sm³⁺ co-doped phosphate glass of interest to photonic applications is reported. Particularly, the enhancement of the orange-red photoluminescence (PL) from Sm³⁺ ions has been realized in the glass through the development of non-plasmonic Cu clusters. It was exposed during an in situ isothermal treatment wherein optical absorption and PL were monitored together in real time. Following the PL increase, a drop in the Sm³⁺ emission intensity was produced concurring with the appearance of Cu nanoparticles (NPs) exhibiting the surface plasmon resonance. Hence, the connection between energy donor (sensitizing) effects of small Cu clusters and the energy acceptor (quenching) character of Cu NPs is supported. It is the first time to the author's knowledge that the enhancement of Sm³⁺ luminescence via Cu clusters embedded in glass is indicated.