稀土(La/Ce/Pr/Nd)掺杂锐钛矿相TiO_2磁性及光催化活性的第一性原理研究

采用密度泛函理论下的平面波赝势方法,建立了未掺杂锐钛矿TiO_2和La/Ce/Pr/Nd单掺杂的锐钛矿TiO_2模型.几何优化后,通过计算形成能分析了掺杂结构的稳定性;通过自旋电子态密度的计算分析了各个掺杂模型的磁性状态,并采用比较磁性基态能量的方法对分析结果加以验证;讨论了各稀土元素掺杂对锐钛矿能带结构和吸收光谱的影响.结果表明:La/Pr掺杂的锐钛矿TiO_2具有亚铁磁性,Nd掺杂的锐钛矿具有反铁磁性,Ce掺杂锐钛矿为顺磁体;Ce掺杂对锐钛矿能带结构影响较小,吸收光谱红移不明显,而La/Nd掺杂则能有效提升锐钛矿对可见光的吸收系数,Pr掺杂能使锐钛矿TiO_2在红外光区出现吸收峰.     

Mn高掺杂浓度对ZnO禁带宽度和吸收光谱影响的第一性原理研究

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法, 建立了未掺杂与不同浓度的Mn原子取代Zn原子的三种Zn_1-xMn_xO超胞模型, 分别对模型进行了几何结构优化、态密度分布、能带分布和吸收光谱的计算. 结果表明: 电子非自旋极化处理的条件下, Mn掺杂浓度越小, ZnO形成能越小, 掺杂越容易, 晶体结构越稳定; Mn的掺入使得ZnO体系的杂质能带和导带发生简并化, 并且导带底和价带底同时向低能方向移动, 掺杂后的导带比价带下降得少导致禁带宽度变宽, ZnO吸收光谱明显出现蓝移现象, 计算结果和实验结果相一致. 同时, 电子自旋极化处理的条件下, 体系有磁性, 吸收光谱发生红移现象. 计算结果与相关实验结果相符合.     

稀土元素(La,Y)掺杂GaN的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对稀土元素La,Y单掺杂和La和Y共掺杂GaN的晶格常数、电子结构及光学性质进行了计算与分析.计算结果表明:掺杂改变了GaN的能带结构,未掺杂和Y掺杂形成导带底和价带顶位于G点的直接带隙半导体,而La掺杂和La和Y共掺杂形成导带底位于G点,价带顶位于Q点的间接带隙半导体.可以通过掺杂元素来调制GaN的禁带宽度和带隙类型,掺杂均提高GaN在低能区的静态介电常数、反射率、折射率,使光子的跃迁强度增大,说明稀土元素La,Y掺杂可有效调制GaN的光电性质.     

稀土元素(Y,La)掺杂ZnO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平面波超软赝势方法,计算了未掺杂ZnO和稀土(Y,La)掺杂ZnO体系的空间结构、能带、电子态密度与光学性质.结果表明,掺杂后体系的形成能减小,稳定性变强,带隙展宽,费米能级进入导带中,体系呈金属性,载流子发生简并,形成简并半导体.定性分析了掺杂后光学性质的变化. 关键词： 氧化锌 掺杂 第一性原理     

ZnO高掺杂Ga的浓度对导电性能和红移效应影响的第一性原理研究

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,在相同环境条件下建立了浓度不同的由Ga原子取代Zn原子的Zn_1-xGa_xO模型.对低温高掺杂Ga原子的Zn_1-xGa_xO半导体的能带结构、态密度和吸收光谱进行了计算.结果表明:Ga原子浓度越大,进入导带的相对电子数越多,但是电子迁移率反而减小.通过对掺杂和未掺杂ZnO的电导率以及最小间隙带宽度分别进行了比较 关键词： ZnO高掺杂Ga 电导率 红移 第一性原理     

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     

Y掺杂ZnO最小光学带隙和吸收光谱的第一性原理研究

对于Y掺杂ZnO,当摩尔数在0.0313-0.0625之内,Y掺杂量越增加,吸收光谱发生红移和蓝移两种不同实验结果均有文献报道.本文使用Materials Studio软件下的CASTEP模块中密度泛函理论的第一性原理平面波模守恒(Norm conserving)赝势GGA+U的方法,构建了未掺杂纤锌矿ZnO单胞以及Y掺杂ZnO的Zn_(0.9687)Y_(0.0313)O超胞、Zn_(0.9583)Y_(0.0417)O超胞和Zn_(0.9375)Y_(0.0625)O超胞模型.对掺杂前后体系的能带结构、态密度、差分电荷密度、布居值以及吸收光谱进行了计算.计算结果表明:当Y掺杂摩尔数在0.0313-0.0625之内,Y掺杂量越增加,掺杂体系的晶格常数、体积、总能量越增大,掺杂体系越不稳定、形成能越增大、掺杂越难;掺杂体系中平行于和垂直于c轴的Y-O键布居值越减小、离子键越增强、共价键越减弱、键长越变长;掺杂体系的最小光学带隙越变宽、吸收光谱发生蓝移现象越明显.吸收光谱的计算结果与实验结果相符合,合理解释了吸收光谱红移、蓝移的争论.这对制备Y掺杂ZnO短波长光学器件能起到一定的理论指导作用.     

FeAl(B2) 合金La, Ac, Sc 和 Y 元素微合金化的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 研究了稀土元素(La, Ac, Sc 和 Y) 微合金化对FeAl (B2) 有序金属间化合物合金晶体结构、 弹性和电子性能的影响. 计算结果表明: 稀土元素Y 易于取代Fe位, 而Sc, La和Ac易于取代Al位, 其中Ac元素的加入使晶格点阵发生最大的变形. 弹性性能的计算表明La, Ac, Sc 和 Y 元素的加入可以改善FeAl (B2) 的塑性, 其中Fe₇Al₈Sc具有最好的塑性和硬度. 稀土元素对合金性能的影响, 主要是由于稀土原子的加入改变了Fe和Al电子之间的杂化作用. 计算结果与已有的试验结果和理论结果相一致.     

GGA+U的方法研究Ag掺杂浓度对ZnO带隙和吸收光谱的影响

目前, 当Ag掺杂ZnO摩尔数为0.0208-0.0278的范围内, Ag掺杂对ZnO吸收光谱影响的实验研究均有文献报道, 但是, 有两种不同的实验结果, 掺杂体系吸收光谱红移或蓝移两种相悖的报道. 为了解决本问题, 本文采用自旋密度泛函理论(DFT)框架下的广义梯度近似(GGA+U)平面波赝势方法, 构建三种Zn_1-xAg_xO (x=0, x=0.0278, x=0.0417)模型, 分别对所有模型进行几何结构优化和能量计算. 结果表明, 与纯的ZnO布居值和Zn-O的键长相比, 掺杂体系布居值减小、Ag-O键长增加、共价键减弱、离子键增强. 当Ag掺杂ZnO摩尔数为0.0278-0.0417的范围内, Ag掺杂量越增加、O原子2p轨道、Zn原子的4s, 3d轨道电荷数不变、Ag原子的5s轨道电荷数越增加、Ag原子的4d轨道电荷数越减小、掺杂体系晶格常数越增加、体积越增加、总能量越增加、稳定性越下降、形成能越下降、掺杂越难、掺杂体系的带隙越变窄、吸收光谱红移越显著. 计算结果与实验结果相一致. 并且合理解释了存在的问题. 这对设计和制备Ag掺杂ZnO体系的光催化剂有一定的理论指导作用.     

La,Ce,Nd掺杂对单层MoS_2电子结构的影响

为了研究稀土掺杂对单层MoS2电子结构的影响,文章基于密度泛函理论框架下的第一性原理,采用平面波赝势方法分别计算了本征及La,Ce,Nd掺杂单层MoS2的晶格参数、能带结构、态密度和差分电荷密度.计算发现,稀土掺杂所引起的晶格畸变与杂质原子的共价半径大小有关,La杂质附近的键长变化最大,Nd杂质附近的键长变化最小.能带结构分析表明,La掺杂可以在MoS2的禁带中引入3个能级,Ce掺杂可以形成6个新能级,Nd掺杂可以形成4个能级,并对杂质能级属性进行了初步分析.差分电荷密度分布显示,稀土掺杂可以使单层MoS2中的电子分布发生改变,尤其是f电子的存在会使差分电荷密度呈现出反差极大的物理图象.     

La、Ce掺杂ZnO纳米晶的发光特性

共沉淀法制备了稀土镧、铈掺杂的ZnO半导体纳米晶。X射线衍射(XRD)结果表明:掺杂的ZnO纳米晶为六方纤锌矿结构,随掺杂浓度增加ZnO粒径减小。对铈掺杂纳米ZnO,以波长380nm激发,在443nm处出现了半峰宽较窄的强的蓝光发射峰;镧掺杂ZnO纳米晶则为从418~610nm的多峰宽带发射。     

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.     

Ce和O空位共掺杂TiO_2的电子结构与光学性质

采用基于密度泛函理论加U的计算方法,研究了Ce和O空位单(共)掺杂锐钛矿相TiO_2的电子结构和光吸收性质.计算结果表明,Ce和O空位共掺杂TiO_2的带隙中出现了杂质能级,且带隙窄化为2.67 eV,明显比纯TiO_2和Ce,O空位单掺杂TiO_2的要小,因而可提高TiO_2对可见光的响应能力,使TiO_2的光吸收范围增加.光吸收谱显示,掺杂后TiO_2的光吸收边发生了显著红移;在400.0—677.1 nm的可见光区,共掺杂体系的光吸收强度显著高于纯TiO_2和Ce单掺杂TiO_2,而略低于O空位单掺杂TiO_2.此外,Ce掺杂TiO_2中引入O空位后,TiO_2的导带边从-0.27 eV变化为-0.32 eV,这表明TiO_2的导带边的还原能力得到了加强.计算结果为Ce和O空位共掺杂TiO_2在可见光光解水方面的进一步研究提供了有力的理论依据.     

Sb、Ce掺杂Mg2Ge的第一性原理研究

此文用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理赝势平面波方法系统的计算了Sb、Ce掺杂Mg₂Ge的能带结构、态密度以及光学性质,获得了Mg₂Ge掺杂Sb后,费米面进入导带,呈现n型导电;Mg₂Ge掺杂Ce后,上自旋电子在费米能级附近处的价带和导带有一部分重叠,呈现半金属特性,进入导带电子数目增多,导电性增强. Sb、Ce掺杂Mg₂Ge后,其主要吸收峰都小于未掺杂Mg₂Ge,在可见光区域的透过率增大;Sb掺入后,在能量低于2.6 eV反射谱出现红移,Ce掺入后Mg₂Ge的吸收范围明显宽于本征Mg₂Ge;掺杂改善了Mg₂Ge对红外光子的吸收等有益结果.