Mn掺杂的ZnS(001)表面的电子态特性

利用第一性原理计算Mn在ZnS(001)表面上几种掺杂位置的形成能、局域分波态密度和磁矩.对Mn在ZnS(001)表面上的三种位置的形成能进行比较,得到两种填隙位置是非常稳定的掺杂位置.分析ZnS(001):Mn各种再构表面的电子态密度和电荷密度分布.结果表明,三种表面模型中,自旋向上的Mn原子的3d态和近邻S原子的3p态都有一定的杂化,并且替代掺杂的Mn和邻近S原子的p-d杂化最明显,形成的共价键最强.而自旋向下的Mn原子的3d态比较局域,受S原子的3p态影响较小.计算了三种掺杂表面的磁矩,并分析计算结果.     

Mn掺杂ZnS(110)表面的电子结构和磁性

采用基于密度泛函理论的第-性原理方法,研究Mn掺杂ZnS(110)表面的电子结构和磁性.计算分析不同掺杂组态的几何参数、形成能、磁矩、电子态密度以及电荷密度.结果表明:单个Mn原子掺杂,替位于表面第二层的Zn原子时体系形成能最低,说明该层是最稳定的掺杂位置.对于两个Mn原子的掺杂,当Mn与Mn之间呈反铁磁耦合时体系最稳定.体系的总磁矩和自由Mn原子的磁矩差别很小,但是Mn原子的局域磁矩却依赖于Mn原子的3d态和近邻S原子的3p态的杂化作用,即受周围S原子环境的变化影响较大.此外,分析电荷密度图得出Mn原子替换Zn原子后与S原子形成了更强的共价键.     

Cu/N表面沉积共掺杂TiO_2光催化剂作用机理的理论研究

本文采用基于周期性密度泛函理论研究了Cu/N表面沉积共掺杂对锐钛矿相TiO2(001)面的修饰作用.计算了Cu在不同位置掺杂TiO2(101)面和(001)面的形成能,并在此基础上计算N不同位置掺杂TiO2(001)面及Cu/TiO2(001)面的形成能,通过形成能的比较获得了表面共掺杂的最优化结构.在此基础上计算了最稳定结构的能带结构及态密度,并与S单掺杂TiO2(001)面最稳定结构进行了对比.通过对结果的分析发现:Cu/N在(001)表面的沉积共掺杂有效降低了TiO2的禁带宽度,并在表面形成CuO2相,更利于提高其光催化活性.     

TiO_2薄膜的硼掺杂对TiO_2/p~+-Si异质结器件电致发光的增强

利用磁控溅射在重掺硼硅(p+-Si)衬底上分别沉积TiO2薄膜和掺硼的TiO2(Ti O2∶B)薄膜,并经过氧气氛下600℃热处理,由此形成相应的TiO2/p+-Si和TiO2∶B/p+-Si异质结。与Ti O2/p+-Si异质结器件相比,TiO2∶B/p+-Si异质结器件的电致发光有明显的增强。分析认为:TiO2∶B薄膜经过热处理后,B原子进入TiO2晶格的间隙位,引入了额外的氧空位,而氧空位是TiO2/p+-Si异质结器件电致发光的发光中心,所以上述由B掺杂引起的氧空位浓度的增加是TiO2∶B/p+-Si异质结器件电致发光增强的原因。     

三氧化钨表面氢吸附机理的第一性原理研究

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,在广义梯度近似下,研究了立方WO_3,WO_3(001)表面结构及其氢吸附机理.计算结果表明立方晶体WO_3理论带隙宽度为0.587 eV.WO_3(001)表面有WO终止(001)表面和O终止(001)表面两种结构,表面结构优化后W—O键长和W—O—W键角改变,从而实现表面弛豫;WO终止(001)表面和O终止(001)表面分别呈现n型半导体特征和p型半导体特征.分别计算了H原子吸附在WO终止(001)表面和O终止(001)表面的H—O_(2c)—H,H—O_(2c)…H—O_(2c),H—O_(1c)—H和H—O_(1c)…H—O_(1c)四种吸附构型,其中H—O_(1c)—H吸附构型的吸附能最小,H—O键最短,H失去电子数最多,分别为-3.684 eV,0.0968 nm和0.55e,此吸附构型最稳定.分析其吸附前后的态密度,带隙从吸附前的0.624 eV增加到1.004 eV,价带宽度基本不变.H的1s轨道电子与O的2p,2s轨道电子相互作用,在-8和-20 eV附近各形成了一个较强的孤立电子峰,两个H原子分别与一个O_(1c)原子形成化学键,最终吸附反应生成了一个H_2O分子,同时产生了一个表面氧空位.     

Zn1-xMnxS(001)稀磁半导体薄膜的能量稳定性、磁性和电子结构

通过基于广义梯度近似的总能密度泛函理论研究不同Mn掺杂浓度的ZnS(001)薄膜的电学和磁学特性. 计算单个Mn原子和两个Mn原子处于各种掺杂位置及不同的磁耦合状态时的能量稳定性.计算了单个Mn原子掺杂和两个Mn原子掺杂的ZnS(001)薄膜的态密度. 不同掺杂组态的p-d杂化的程度不同. 不同掺杂组态,Mn原子所处的晶场环境不同,所以不同掺杂组态的Mn的3d分波态密度峰的劈裂有很大的不同. 掺杂两个Mn原子时,得到三种稳定组态的基态都是反铁磁态. 分析了以上三种能量稳定的组态中,两个Mn原子在不同磁耦合状态下的3d态密度图. 当两原子为铁磁耦合时,由于d-d电子相互作用,使反键态的态密度峰明显加宽. 随着Mn掺杂浓度的增加,Mn原子有相互靠近,并围绕S原子形成団簇的趋势. 对于这样的组态,Mn原子之间为反铁磁耦合能量更低.     

表面吸附对单层黑磷砷结构、电子性质和磁性调控的第一性原理研究（英文）

基于第一性原理,系统研究了11种不同原子吸附在单层AsP上的儿何结构、吸附能、磁矩和电子结构性质.使用的吸附原子包括轻质非金属(C、N、O)原子,第三周期金属原子(Na、Mg、Al)和过渡金属原子(Ti、V、Cr、Mn和Fe).研究结果表明,吸附原子引起了AsP多样的结构、磁性和电子性质改变.AsP与所研究的吸附原子都能紧密结合,并且所有系统的吸附能都比吸附原子在石墨烯、SiC、BN以及MoS_2上的吸附能强得多.AsP的半导体特性受到吸附原子的影响,其可以诱导产生中间能隙态或引起n型掺杂.此外,表面吸附产生了不同的自旋电子特性,具体而言,吸附N、Ti和Fe的AsP成为双极半导体;Mn修饰的AsP成为双极自旋无间隙半导体.     

表面吸附对单层黑磷砷结构、电子性质和磁性调控的第一性原理研究

基于第一性原理，系统研究了11种不同原子吸附在单层AsP上的几何结构、吸附能、磁矩和电子结构性质. 使用的吸附原子包括轻质非金属(C、N、O)原子，第三周期金属原子(Na、Mg、Al)和过渡金属原子(Ti、V、Cr、Mn和Fe). 研究结果表明，吸附原子引起了AsP多样的结构、磁性和电子性质改变. AsP与所研究的吸附原子都能紧密结合，并且所有系统的吸附能都比吸附原子在石墨烯、SiC、BN以及MoS₂上的吸附能强得多. AsP的半导体特性受到吸附原子的影响，其可以诱导产生中间能隙态或引起n型掺杂. 此外，表面吸附产生了不同的自旋电子特性，具体而言，吸附N、Ti和Fe的AsP成为双极半导体；Mn修饰的AsP成为双极自旋无间隙半导体.     

O2在Mo(001)表面吸附的第一原理研究

采用第一原理方法计算了O2分子在 Mo(001) 表面的吸附,得到了吸附构型的各种参数,并且计算了O2分子在 Mo(001) 表面4个位置（顶位,桥位,穴位垂直,穴位平行）吸附后的能量,结果表明在顶位吸附能最高。通过对O2分子在 Mo(001) 表面吸附的原子轨道电荷分布与态密度图的分析可以看出在吸附过程中主要是O原子的2p轨道电子与钼的4s和4d轨道电子的相互作用。     

Mn-N共掺杂TiO2电子结构和光学性质的第一性原理计算

本文采用第一性原理研究了Mn、N掺杂TiO2和Mn-N共掺杂TiO2的能带结构、态密度和Mn-N共掺TiO2对体系介电函数与吸收谱的影响.研究结果表明,Mn掺杂TiO2的能带结构的禁带内出现的杂质能级是由Mn 的3d轨道贡献;N掺杂TiO2在费米能级处的杂质能级则由O 2p, Ti 3d和N 2p轨道杂化形成; Mn-N共掺的TiO2能带在费米能级处的杂质能级则由O 2p, Ti 和Mn的3d以及N 2p轨道杂化形成; 对于介电函数,在低能区间(<2.5 eV),理想TiO2无介电峰, Mn-N共掺体系则出现了两个介电峰,原因在于Mn 3d态和N 2p态使介电峰值向低能区移动;同时,与理想TiO2的吸收谱相比,最大的变化是在可见光区出现了一个吸收峰,且在可见光区的响应的范围变宽.     

O2在Mo(001)表面吸附的第一原理研究

采用第一原理方法计算了O2分子在 Mo(001) 表面的吸附,得到了吸附构型的各种参数,并且计算了O2分子在 Mo(001) 表面4个位置（顶位,桥位,穴位垂直,穴位平行）吸附后的能量,结果表明在顶位吸附能最高。通过对O2分子在 Mo(001) 表面吸附的原子轨道电荷分布与态密度图的分析可以看出在吸附过程中主要是O原子的2p轨道电子与钼的4s和4d轨道电子的相互作用。     

表面非金属掺杂对锐钛矿相TiO2(101) 面吸附NH3特性的影响

采用基于密度泛函理论(DFT-D)体系下的第一性原理平面波超软赝势方法,研究了被不同非金属（B、C、N、F）掺杂的TiO2(101)表面吸附NH3的特性与作用机理。研究发现：被非金属掺杂后的表面对NH3的吸附效果要优于未掺杂表面。不同元素掺杂对比发现：C掺杂后的表面吸附能最大,稳定后吸附距离最小,为最稳定吸附结构。通过Mulliken电荷分布和分态密度的分析,得到了不同吸附条件下NH3在TiO2掺杂表面的催化氧化还原作用机理,并发现各模型吸附能的不同是由于掺杂（X）位原子与NH3分子的相互作用强弱不同所造成。掺杂原子在费米面附近的电子态密度贡献越强,掺杂原子与NH3分子电荷转移的净值越小,吸附距离越小,吸附能越大,吸附更稳定。     

表面非金属掺杂对锐钛矿相TiO2(101) 面吸附NH3特性的影响

采用基于密度泛函理论(DFT-D)体系下的第一性原理平面波超软赝势方法,研究了被不同非金属（B、C、N、F）掺杂的TiO2(101)表面吸附NH3的特性与作用机理。研究发现：被非金属掺杂后的表面对NH3的吸附效果要优于未掺杂表面。不同元素掺杂对比发现：C掺杂后的表面吸附能最大,稳定后吸附距离最小,为最稳定吸附结构。通过Mulliken电荷分布和分态密度的分析,得到了不同吸附条件下NH3在TiO2掺杂表面的催化氧化还原作用机理,并发现各模型吸附能的不同是由于掺杂（X）位原子与NH3分子的相互作用强弱不同所造成。掺杂原子在费米面附近的电子态密度贡献越强,掺杂原子与NH3分子电荷转移的净值越小,吸附距离越小,吸附能越大,吸附更稳定。     

第一原理研究Mn掺杂LiNbO3晶体的磁性和光吸收性质

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Mn掺杂LiNbO₃晶体的结构, 磁性, 电子特性和光吸收特性. 文中计算了Mn占据Li位和Nb位体系的形成焓, 对应的形成焓分别为-8.340 eV/atom和-8.0062 eV/atom, 也就意味着Mn 原子优先占据Li位. 这也就意味着Mn原子占据Li位的掺杂LiNbO₃晶体结构更稳定. 磁性分析的结果显示, 其对应磁矩也比占据Nb位的高. 进一步分析磁性的来源, 自旋态密度结果显示: Mn掺杂LiNbO₃晶体的磁性主要源于掺杂原子Mn, Mn原子携带的磁矩高达 4.3 μ_B, 显示出高自旋结构. 由于Mn-3d与近邻O-2p及次近邻Nb-4d 轨道的杂化作用, 计算表明: 诱导近邻O原子及次近邻Nb原子产生的磁矩对总磁矩的贡献较小. 通过光学吸收谱的分析, 得出在可见光区Li位被Mn原子替代以后显示出更好的光吸收响应相比于Nb位. 本文还分析了O空位对于LiNbO₃晶体磁性与电子性质的影响, 结果显示O空位的存在可以增加Mn掺杂LiNbO₃体系的磁性.     

Co对单层MoS_2电子结构与磁性的影响

为了研究Co对单层MoS_2电子结构和磁性的影响,本文基于第一性原理,采用数值基组的方法计算了Co吸附式掺杂、Co替代式掺杂单层MoS_2的能带结构、态密度以及分析了其结构的稳定性.结果发现:Co替换式掺杂体系的形成能较低,实验上容易实现;Co在Mo位吸附的稳定性强于在S位吸附;Mo位吸附体系的总磁矩为0.999μB,其磁矩的主要来源于Co原子的吸附所贡献的0.984μB,Co原子的掺杂体系总磁矩为1.029μB,其磁矩的主要由Co原子替代掉一个Mo原子所贡献的磁矩为0.9444μB,相比于吸附体系,Co原子对磁矩的贡献率有所降低;无论是Co吸附在单层MoS_2表面还是Co直接替代掉Mo原子的掺杂体系,Co原子3d轨道的引入是引起单层MoS_2体系磁性的主要原因.     

C掺杂ZnO纳米线的磁性研究

运用第一性原理方法研究了C掺杂ZnO纳米线的电子性质和磁性质.研究发现C原子趋于替代纳米线表面的O原子.所有掺杂纳米线显示了半导体特性.纳米线的总磁矩主要来源于C原子2p轨道的贡献.由于杂化,相邻的Zn原子和O原子也产生了少量自旋.在超原胞内,C、Zn和O原子磁矩平行排列,表明它们之间是铁磁耦合.铁磁态和反铁磁态的能量差达到了186meV,表明C掺杂ZnO纳米线可能存在室温铁磁性,在自旋电子学领域有很大应用前景.     

Cr掺杂ZnO纳米线电子性质和磁性质

本文采用第一性原理密度泛函理论系统的研究了Cr原子单掺杂和双掺杂两种尺寸ZnO纳米线的电子性质和磁性质.所有掺杂纳米线的形成能都比纯纳米线的形成能低,表明掺杂增强了纳米线的稳定性.研究发现Cr原子趋于替代纳米线表面的Zn原子.所有掺杂纳米线都显示了金属性.纳米线的总磁矩主要来源于Cr原子3d轨道的贡献.由于杂化,相邻的O原子和Zn原子也产生了少量自旋.在超原胞内,Cr和O原子磁矩反平行排列,表明它们之间是反铁磁耦合.表面双掺杂纳米线铁磁态能量比反铁磁态能量低149 meV,表明Cr掺杂ZnO纳米线可能获得室温铁磁性.     

3d过渡金属原子单层在Pd(001)表面磁性的第一性原理研究

用第一性原理基础上的超软赝势方法的总能计算，研究了3d过渡金属(Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn)在Pd(001)表面的单层p(1×1)和c(2×2)结构的表面磁性和总能. 所得结果表明：对于Sc, Ti, V和Cr只存在p(1×1)的铁磁性结构，而Mn只有c(2×2)的反铁磁结构存在. Fe, Co和Ni这三种元素上述两种结构都存在，但是总能上p(1×1)的铁磁结构要低些，因此是比较稳定的结构. 而Cu和Zn在该表面上的单层中不存在上述两种结构. 对于V的p(1×1)铁磁结构，计算得到的每个V原子磁矩为2.41μ_B，大于用全电子方法得到的0.51μ_B. 两种计算方法得到其他金属原子 (Cr，Mn，Fe，Co，Ni)的表面磁矩比较相近，都比孤立原子磁矩略小. 关键词： Pd(001)表面 过渡金属原子单层 表面磁性     

Mn掺杂ZnO纳米线磁性质的第一性原理研究

本文采用第一性原理方法系统研究了Mn原子单掺杂和双掺杂ZnO纳米线的稳定性和磁性质.所有掺杂纳米线的束缚能都为负值,表明掺杂增强了纳米线的稳定性.表面掺杂纳米线显示了直接带隙半导体特性,而中间掺杂纳米线显示了间接带隙半导体特性.纳米线的总磁矩主要来源于Mn原子3d轨道的贡献.由于杂化,相邻的O原子和Zn原子也产生了少量自旋.在超原胞内,Mn原子和O原子磁矩平行排列,表明它们之间是铁磁耦合.     

S掺杂对锐钛矿相TiO2电子结构与光催化性能的影响

采用基于第一性原理的平面波超软赝势方法研究了掺杂不同价态S的锐钛矿相TiO2的晶体结构、杂质形成能、电子结构及光学性质.计算结果表明硫在掺杂体系中的存在形态与实验中的制备条件有关;掺杂后晶格发生畸变、原子间的键长及原子的电荷量也发生了变化,导致晶体中的八面体偶极矩增大;S 3p态与O 2p态、Ti 3d态杂化而使导带位置下移、价带位置上移及价带宽化,从而导致TiO2的禁带宽度变窄、光吸收曲线红移到可见光区.这些结果很好地解释了S掺杂锐钛矿相TiO2在可见光下具有优良的光催化性能的内在原因.根据计算结果分析比较了硫以不同离子价态掺杂对锐钛矿相TiO2电子结构和光催化性能影响的差别.