掺杂Fe、F对ZnO电子结构和光学性质的影响

本文采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势法，建立了Zn16O16、Zn15Fe1O16、Zn16O15F1、Zn15Fe1O15F1超晶胞，对掺杂前后ZnO超晶胞的能带结构分布、光学性质进行了计算与分析。计算结果表明：共掺杂Fe、F体系的形成能比单掺杂更小，稳定性更高；共掺杂体系的共价性最弱，更利于光生电子-空穴对的分离，且共掺杂体系的杂质能级数变得更为密集，电子更容易从低能级跃迁到高能级，进而提高光催化活性；Fe3+的掺入导致费米能级进入导带，产生莫特相变，使之导电性增强；共掺杂体系的介电函数虚部向低能方向移动，在可见光区域的吸收峰值明显增大，说明Fe、F共掺杂是一种很好的光催化材料。     

Fe、F掺杂ZnO的电子结构和光学性质研究

本文采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势法,建立了Zn_(16)O_(16)、Zn_(15)Fe_1O_(16)、Zn_(16)O_(15)F_1、Zn_(15)Fe_1O_(15)F_1超晶胞,对掺杂前后ZnO超晶胞的能带结构分布、光学性质进行了计算与分析.计算结果表明:共掺杂Fe、F体系的形成能比单掺杂更小,稳定性更高;共掺杂体系的共价性最弱,更利于光生电子-空穴对的分离,且共掺杂体系的杂质能级数变得更为密集,电子更容易从低能级跃迁到高能级,进而提高光催化活性;Fe~(3+)的掺入导致费米能级进入导带,产生莫特相变,使之导电性增强;共掺杂体系的介电函数虚部向低能方向移动,在可见光区域的吸收峰值明显增大,说明Fe、F共掺杂是一种很好的光催化材料.     

Fe、F掺杂Zn O的电子结构和光学性质研究

本文采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势法，建立了Zn_(16)O_(16)、Zn_(15)Fe_1O_(16)、Zn_(16)O_(15)F_1、Zn_(15)Fe_1O_(15)F_1超晶胞，对掺杂前后ZnO超晶胞的能带结构分布、光学性质进行了计算与分析.计算结果表明:共掺杂Fe、F体系的形成能比单掺杂更小，稳定性更高;共掺杂体系的共价性最弱，更利于光生电子-空穴对的分离，且共掺杂体系的杂质能级数变得更为密集，电子更容易从低能级跃迁到高能级，进而提高光催化活性; Fe~(3+)的掺入导致费米能级进入导带，产生莫特相变，使之导电性增强;共掺杂体系的介电函数虚部向低能方向移动，在可见光区域的吸收峰值明显增大，说明Fe、F共掺杂是一种很好的光催化材料.     

过渡金属(Fe,Co,Ni,Zn)掺杂金红石TiO2的电子结构和光学性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对未掺杂以及不同浓度过渡金属Fe,Co,Ni,Zn掺杂金红石TiO₂的超晶胞体系进行了几何优化,并讨论了其晶格常数,电子能带结构和光学性质.研究结果表明:掺杂前后的晶格参数与实验值偏差在3.6%以下;适量的过渡金属掺杂不但影响体系能带结构,拓宽光吸收范围,而且扮演着俘获电子的重要角色,有利于光生电子-空穴对的有效分离以及增强光吸收能力;Fe,Co,Ni,Zn最佳理论掺杂体系分别为Ti_0.75Fe_0.25O₂,Ti_0.75Co_0.25O₂,Ti_0.75Ni_0.25O₂,Ti_0.83Zn_0.17O₂;Fe,Co,Ni3d态分裂为t_2g和e_g态,分别贡献于价带高能级和导带低能级部分,促进了电子-空穴对的生成,从而可提高TiO₂的光催化性能;Zn3d态电子成对填满轨道,不易被激发,故光催化活性无明显提高.     

C-Mg掺杂GaN电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论第一性原理的方法,计算了GaN、C单掺、Mg单掺和C-Mg共掺体系的电子结构和光学性质,计算结果表明:掺杂后,GaN体系的晶格发生畸变,有利于光生空穴-电子对的分离,C-Mg共掺体系结构最稳定,掺杂体系的禁带宽度均减小,其中C-Mg共掺体系的禁带宽度最小,在禁带中引入了杂质能级,说明掺杂可有效降低电子跃迁所需的能量.在光学性质方面,掺杂后,GaN在低能区介电峰和吸收峰均发生红移,且静介电常数增大;其中C-Mg共掺体系的对可见光的吸收最强,极化能力最强,因此C-Mg共掺将有望提高GaN在光催化性能和极化能力.     

过渡金属掺杂锐钛矿TiO_2(101)表面的改性

采用密度泛函理论的平面波超软赝势方法,对过渡金属Fe,Ni,Pd,Pt,Cu,Ag和Au的中性原子在锐钛矿TiO_2(101)面上的掺杂改性开展了系统深入的理论研究.通过比较分析锐钛矿TiO_2(101)面掺杂前后的几何结构、电子结构和光学性质等,揭示了宏观催化活性与电子结构、光电子特性之间的关联.结果表明:过渡金属掺杂能减小禁带宽度或引入杂质能级,从而提高TiO_2(101)面的可见光响应;杂质能级通常位于禁带内,这主要是由过渡金属原子的d电子态贡献形成的;不同过渡金属掺杂的TiO_2(101)面具有不同的光催化性能,这与掺杂后的禁带宽度、费米能级位置、杂质能级的形成位置以及过渡金属原子的最外层电子排布等有关.本研究为TiO_2光催化剂结构设计与改性提供了指导性参考,并有利于加深人们对其他材料的过渡金属掺杂的理解.     

Mn,Fe,Co掺杂GaAs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平面波超软赝势方法对本征GaAs以及3d过渡金属Mn、Fe、Co单掺杂GaAs晶体的电子结构及其光学性质进行理论计算以及对比研究.计算结果表明:能带结构中三种掺杂体系均引入新的能级,能带条数增多,导带底与价带底顶向深能级移动,带隙减小;费米能级附近出现了杂质能级,导致掺杂体系光子能量位于0时介电函数虚部便有所响应,掺杂体系相较于本征体系的静介电常数有所提升;Mn、Fe、Co三种掺杂体系相较于本征体系在红外以及远红外区域吸收系数得到了明显的提升,其中Fe掺杂GaAs的光催化特性最好.     

过渡金属掺杂GaN的电子结构和光学性质理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法计算不同过渡金属（V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni）掺杂GaN的电子结构及光学性质,分析掺杂对电子结构及光学性质的影响.结果表明,过渡金属掺杂在GaN的禁带中引入杂质能带,除掺Fe体系外其它掺杂体系都表现为半金属性.除掺Fe和Ni体系在低能区没有出现光吸收外,其它体系均在低能区杂质能级处出现光吸收.     

Ce、Ga、La掺杂二维SnO2电子结构及光电性质的第一性原理研究

二维材料具有优异的光学、力学、热学、磁学等性质,成为研究的热点之一. SnO₂薄膜中的电子迁移率非常高,兼具透明和良好的导电性能,是一种性能绝佳的半导体材料.本文用密度泛函理论框架下的第一性原理研究了二维SnO₂及其掺杂体系的电子结构、电子态密度、导电性能及光学性质,计算结果表明：相比较于三维SnO₂,二维SnO₂的费米能级附近产生很多杂质能级,提高了载流子浓度,带隙明显变窄,电子的局域性增强,导带中电子的有效质量增加了,电子跃迁更容易发生,增加了材料的导电性能;二维SnO₂比三维SnO₂材料的电极化能力强,在红外区、可见光区、紫外区域的光子吸收性能更优异,光电导率更高,更有利于光生电子-空穴对的分离和迁移,即可以有效地提高其光电转换效率,其中掺杂La元素能更好地提高在红外区、可见光区及紫外区吸收光子的能力,更有利于光电转换的效率,提高导电性.     

稀土元素Sc、Tm掺杂GaSb的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法研究了本征GaSb以及稀土元素Sc、Tm掺杂后的GaSb的电子结构和光学性质.计算结果表明：Sc、Tm掺杂后GaSb仍为直接带隙的P型半导体. Sc掺杂后GaSb在导带中诱导了浅能级缺陷态,带隙变窄. Tm掺杂后GaSb在导带中诱导了深能级缺陷态,带隙变宽. Sc、Tm掺杂后使能量损失减小并且均增强了GaSb对中红外波段光子的吸收,其中Sc掺杂效果更佳,在4.3μm(0.28 eV)处存在吸收峰,峰值为1.7×10~5 cm^-1,且直到波长为6.8μm(0.18 eV)时,光吸收系数仍能达到1×10~5 cm^-1.计算结果为拓展GaSb基半导体材料在红外探测器、红外半导体激光器等领域的应用提供理论参考.     

过渡金属原子X(X=Mn,Tc,Re)掺杂二维WS2第一性原理研究

二维材料由于具有独特的电子结构和量子效应、丰富的可调控特性而受到凝聚态物理和材料科学的广泛关注,其中通过过渡金属掺杂二维WS2形成的半金属铁磁性材料在自旋电子学领域中发挥着重要的作用.采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法计算了过渡金属原子X (X=Mn, Tc, Re)掺杂二维WS~2的电子结构、磁性和光学性质.研究表明:被过渡金属原子X掺杂的WS~2体系在S-rich条件下比在W-rich条件下更稳定.在Mn掺杂后,自旋向上通道中出现杂质能级,导致WS~2体系从自旋向上和自旋向下态密度完全对称的非磁性半导体转变为磁矩1.001μB的铁磁性半金属.在Tc, Re掺杂后,体系均转变为非磁性N型半导体.所有掺杂体系杂质态均发生自旋劈裂现象,且自旋劈裂程度逐渐减小.同时发现Mn, Tc, Re掺杂后,表现出优异的光学性质,它们的介电常数和折射系数与未掺杂WS~2的体系相比明显增强,吸收系数在低能量区域(0—2.0 eV)均出现红移现象.     

GGA+U方法研究不同浓度Cr掺杂对TiO2的磁性和光学性质的影响

本文采用基于第一性原理的GGA+U方法,计算研究了本征态锐钛矿TiO2和不同浓度Cr掺杂锐钛矿TiO2(1/8、1/16、1/32)的电子结构、磁性及光学性质。计算结果表明：所有掺杂体系中Ti0.9375Cr0.0625O2的结合能最小,因此Ti0.9375Cr0.0625O2体系的稳定性要高于Ti0.875Cr0.125O2、Ti0.96875Cr0.03125O2体系;Cr元素的掺入导致掺杂后体系发生晶格畸变,这有利于光生空穴和电子对的分离,提高其光催化性能;同时,由于Cr-3d和O-2p电子相互作用,使得掺杂体系呈现出铁磁性质,并且随着掺杂浓度的增加会使体系具有更好的铁磁性质;掺杂体系与本征TiO2相比,掺杂后吸收带边均发生红移,光谱响应范围变大;并且随掺杂浓度的增加,光响应范围也在增大,从而有效增强了体系对于可见光的吸收能力。     

GGA+U方法研究不同浓度镧(La)与氮(N)掺杂纤锌矿ZnO的光学性质

本文运用基于密度泛函理论的GGA+U方法,计算了纯ZnO体系,La、N单掺ZnO体系及Zn_(1-x)La_xO_(0.875)N_(0.125)(x=0.125,0.25,0.375)三个共掺体系的电子结构和光学性质.计算结果表明,共掺体系中随着La浓度的增加,掺杂后体系的禁带宽度变小,电子跃迁所需能量减小,晶格畸变程度增大,有利于阻碍光生空穴和电子对的复合,吸收光谱吸收带边红移程度越来明显,覆盖了整个可见光区域.这些特征非常有利地说明共掺体系随La浓度的增加,其光催化功能和电学性能也在提升.     

第一性原理方法研究N-Pr共掺杂ZnO的电子结构和光学性质

作为一种稳定性好、抗辐射能力强、原材料丰富的宽禁带半导体, ZnO在光催化的研究领域中成为热点材料,但是其仅能吸收可见光中的紫光,因此如何扩大ZnO对可见光的响应范围是一个值得研究的问题.掺杂改性是解决这个问题的常用方法.基于以上考量,本文应用第一性原理计算方法研究了N与Pr掺杂对ZnO的电子结构和光学性质的影响.研究结果表明:共掺体系比单掺体系更容易形成,且共掺体系的稳定性随Pr浓度的增加先增强后变弱;同一体系的最短Zn—O键与最长Zn—O键的布居数比例随杂质浓度的增大先增大后减小,说明杂质的掺入对体系的晶格畸变有很大的影响,有利于光生空穴-电子对的分离,从而提高材料的光催化活性. N 2p态与Pr 4f态发生杂化对晶体的完整性产生了破坏,在杂质原子周围形成晶场,造成能级劈裂,带隙减小;介电函数虚部的主峰位均向低能区域移动,吸收光谱中各掺杂体系发生红移,各共掺体系随着杂质原子Pr浓度的增加,在可见光区的响应范围依次扩大,吸收能力也依次增加,说明N与Pr的共掺杂对提高ZnO的光催化性是有利的.     

InAs/AlSb/GaSb量子阱中的双色光吸收

为了降低噪声对InAs/GaSb量子阱作为双色电探测器性能的影响,设计性能优良的光电探测器,在InAs/GaSb量子阱中加入AlSb夹层,以减少电子和空穴在界面处的复合,从而抑制由于电子和空穴复合引起的噪声。首先应用转移矩阵方法求解薛定谔方程得到量子阱中电子和空穴的能级和波函数,研究AlSb夹层对电子和空穴波函数的影响。应用平衡方程方法求解外加光场条件下的玻尔兹曼方程,研究所有电子和空穴跃迁通道对光吸收系数的贡献,重点研究了AlSb夹层厚度对光吸收系数的影响。结果表明:基于In As/GaSb的量子阱体系可以实现双色光吸收,加入AlSb夹层可以有效抑制电子和空穴在界面处的隧穿,从而降低复合噪声,同时AlSb夹层的加入也对吸收峰有影响。AlSb夹层的厚度达到2 nm即可有效降低电子和空穴复合噪声,双色光吸收峰在中远红外波段,为该量子阱作为性能良好的中远红外光电探测器提供理论支撑。     

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     

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     

Ni掺杂MgF2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(DFT) 的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了过渡金属Ni不同比例（16.67%,12.5%,8.33%,6.25%）掺杂MgF2晶体的几何结构、电子结构和光学性质。通过对比发现,由于Ni原子的掺入, 体系的禁带宽度减小且能带中出现中间杂质带。另外, 介电函数虚部以及吸收光谱图中均出现双峰结构,结合前人的计算给出了详细的物理机制。上述现象,揭示了Ni掺杂MgF2 体系在光学元器件方面的潜在应用。     

Ni掺杂MgF2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(DFT) 的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了过渡金属Ni不同比例（16.67%,12.5%,8.33%,6.25%）掺杂MgF2晶体的几何结构、电子结构和光学性质。通过对比发现,由于Ni原子的掺入, 体系的禁带宽度减小且能带中出现中间杂质带。另外, 介电函数虚部以及吸收光谱图中均出现双峰结构,结合前人的计算给出了详细的物理机制。上述现象,揭示了Ni掺杂MgF2 体系在光学元器件方面的潜在应用。     

稀土元素(Ce,Pr)掺杂GaN的电子结构和光学性质的理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法计算了稀土元素Ce,Pr掺杂GaN的晶格参数、能带、电子态密度和光学性质,使用LSDA +U的方法处理具有强关联作用的稀土4f态,并分析比较计算结果.计算表明:掺入Ce和Pr后的体系相比未掺杂的GaN晶格常数增大,带隙变窄,并分别在禁带中和价带顶附近引入了局域的杂质能级,该能级主要由Ce和Pr的4f电子提供;掺杂后都发生了磁有序化并产生磁矩;最后定性分析了掺杂前后介电函数和光吸收系数的变化,掺Ce的体系在介电函数和吸收系数的低能区出现了峰值,该峰的出现和禁带中的杂质能级到导带底的跃迁有关,而掺Pr的体系由于带隙变窄使介电峰和吸收边发生红移.