First-principles study of structural,electronic, and optical properties of ZnSnO3

The structural, electronic, and optical properties of ZnSnO₃ were investigated using density functional theory within the generalized gradient approximation. The structure parameters obtained agree well with the experimental results. The electronic structures indicate that ZnSnO₃ is a semiconductor with a direct band gap of 1.0 eV. The calculated optical spectra can be assigned to contributions of the interband transitions from valence band O 2p levels to conduction band Sn 5s levels or higher conduction band Zn 3d levels in the low-energy region, and from O 2p to Sn 5p or Zn 4p conduction band in the high-energy region.     

过渡金属(Ni)掺杂ZnV2O4的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论下的MS软件模拟了过渡金属Ni掺杂ZnV₂O₄前后的能带结构、态密度以及光学性质.结果表明：ZnV₂O₄具有间接的光学跃迁且能带间隙为0.355 eV,Ni掺杂后能带间隙增加为0.785 eV,且带隙类型不变,引入的Ni-3d轨道电子对ZnV₂O₄的价带和导带组成提供了较大贡献.光学性质结果表明ZnV₂O₄为一种低介电材料,在可见光区的吸收系数和折射率较低,主要表现为紫外吸收.掺杂Ni后,在可见光区的吸收特性和光电导率均增大,有效改善了ZnV₂O₄在可见光区的光电性能.     

N-S共掺杂金红石相TiO2电子结构与光学性质的第一性原理研究

采用基于第一性原理的平面波超软赝势方法研究N和S单掺杂以及N和S共掺杂金红石相TiO2的能带结构,态密度和光学性质.结果表明:N掺杂导致禁带宽度减小为1.43 eV,并且在价带上方形成了一条杂质能带;S掺杂导致费米能级上移靠近导带,直接带隙减小为0.32 eV;N和S共掺杂导致能带结构中出现了两条杂质能带,靠近导带的一条杂质能级距离导带底约0.35 eV,靠近价带的一条杂质能级距离价带顶约0.85 eV,杂质能级主要由N原子的2p轨道和S原子的3p轨道组成.N和S掺杂后不但使TiO2的吸收带产生红移,而且在可见光区具有较大的吸收系数,光催化活性增强.     

Te掺杂单层MoS2的电子结构与光电性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了Te掺杂对单层MoS₂能带结构、电子态密度和光电性质的影响。结果表明,本征单层MoS₂属于直接带隙半导体材料,其禁带宽度为1.64 eV。本征单层MoS₂的价带顶主要由S-3p态电子和Mo-4d态电子构成,而其导带底则主要由Mo-4d态电子和S-3p态电子共同决定;Te掺杂单层MoS₂为间接带隙半导体材料,其禁带宽度为1.47 eV。同时通过Te掺杂,使单层MoS₂的静态介电常数增大,禁带宽度变窄,吸收光谱产生红移,研究结果为单层MoS₂在光电器件方面的应用提供了理论基础。     

LaPO4和ScPO4电子结构和光学性质的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,对LaPO₄和ScPO₄的能带结构、电子态密度及光学性质进行计算和分析.计算结果表明：LaPO₄的禁带宽度为5.646 eV,ScPO₄的禁带宽度为4.531 eV. LaPO₄晶体价带顶主要由P-3s、P-3p及O-2p态贡献,导带底主要是由La-5d态贡献;ScPO₄晶体价带顶主要由P-3s、P-3p及O-2p态贡献,导带顶主要是由Sc-3d态贡献.就光学性质而言,ScPO₄的静介电常数是2.03,比LaPO₄(1.92)的静介电常数大,体系极化能力较好.     

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.     

La掺杂3C-SiC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第一性原理计算方法,对未掺杂及稀土材料La掺杂3C-SiC的电子结构和光学性质进行理论计算.计算结果表明,La掺杂引起3C-SiC晶格体积增大,掺杂体系能量更小,掺杂体系的结构更稳定;未掺杂3C-SiC是直接带隙半导体,其禁带宽度为1.406 eV,La掺杂后带隙宽度下降为1.161 eV,La掺杂3C-SiC引入了3条杂质能级,能量较高的1条杂质能级与费米能级发生交叠,另外2条杂质能级都在费米能级以下价带顶之上,La掺杂引起3C-SiC吸收谱往低能区移动,未掺杂3C-SiC的静态介电常数为2.66,La掺杂引起静态介电常数增加为406.01,La掺杂3C-SiC是负介电半导体材料.     

Fe-N共掺杂锐钛矿相TiO2电子性质与光学性质的第一性原理研究

近年来,Fe和N掺杂锐钛矿相TiO2半导体在实验中发现许多优异性能,本文采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了纯锐钛矿相TiO2、Fe和N单掺杂及Fe和N共掺杂TiO2的能带结构、电荷布居、态密度和光学性质.分析发现:Fe掺杂引起杂质能带位于禁带中央,杂质能带最高点与导带相距大约0.6 eV而最低点与价带相距大约0.2 eV;N掺杂引起的杂质能带位于价带顶部附近. Fe和N共掺杂后杂质能带由两部分组成,位于价带顶上方0.62 eV和导带底下方0.22 eV处,其中一层杂质能带主要由N原子的2p轨道和Fe原子的3d轨道杂化形成,而另一条杂质能带主要由Fe原子的3d轨道形成,由于杂质能级的出现,使锐钛矿TiO2的禁带宽度变小.对光学性质分析发现:Fe和N共掺杂会使锐钛矿TiO2光学吸收带边红移,可见光区的光吸收系数明显增大,在低能区出现了新的吸收峰,对应能量为1.82 eV,与实验结果相符.     

Effect of nitrogen doping on optical properties and electronic structures of SrZrO3 films

The effect of nitrogen doping on optical properties and electronic structures of SrZrO₃ (SZO) films was investigated both experimentally and theoretically. A shift of the absorption edge to the longer wavelength, i.e., the narrowing of the band gap caused by nitrogen doping was observed. The first-principles calculations revealed that the band gap reduced in nitrogen-doped SZO because of the localized N 2p states above O 2p states and the bottom of conduction band of Zr 4d shifting to a lower energy.     

Cr和C共掺TiO_2的电子结构和光学性质的研究

利用第一性原理计算,研究了Cr与C共掺锐钛矿型TiO_2的能带的结构,态密度和光学性质.我们构建了两种不等价的Cr与C紧邻共掺体系:CrC_1-TiO_2和CrC_2-TiO_2.CrC_1-TiO_2体系在价带上方出现了主要由C-2p轨道和Cr-3d轨道耦合成的子带.同时,由于姜-泰勒变形效应,Cr-3d轨道的t_(2g)轨道进一步分裂的成Cr-3d_(yz)轨道在导带底形成附加带,有效带隙较纯TiO_2相比变窄了0.84eV.CrC_2-TiO_2体系带隙中有深带隙态存在,由于深间隙态的存在,价带顶到深带隙的能量宽度为0.84eV,电子从价带顶转移到导带底的所需要的能量将大大减小.最后,我们对纯TiO_2和Cr与C紧邻共掺TiO_2的光学特性进行了计算.结果显示Cr与C共掺TiO_2的光学吸收谱都有很好的可见光区域分布,大大提高了太阳光的利用率.     

First-principles energy band calculation for undoped and N-doped InTaO4 with layered wolframite-type structure

The electronic structures of undoped and N-doped InTaO₄ with optimized structures are calculated within the framework of the density functional theory. Calculated lattice constants are in excellent agreement with experimental values, within a difference of 2%. The valence band maximum (VBM) is located near the middle point on the ZD line and the conduction band minimum (CBM) near the middle point on the DX line. This means that InTaO₄ is an indirect-gap material and a minimum theoretical gap between VBM and CBM is ca. 3.7 eV. The valence band in the range from −6.0 to 0 eV mainly consists of O 2p orbitals, where In 4d5s5p and Ta 5d orbitals are slightly hybridized with O 2p orbitals. On the other hand, the conduction band below 5.5 eV is mainly composed of the Ta 5d orbitals and the contributions of In and O orbitals are small. The band gap of N-doped InTaO₄ decreases by 0.3 eV than that of undoped InTaO₄, because new gap states originating from N 2p orbitals appear near the top of the valence band. This result indicates that doping of N atoms into metal oxides is a useful method to develop photocatalysts sensitive to visible light.     

H掺杂α-Fe2O3的第一性原理研究

α-Fe₂O₃是一种重要的磁性半导体材料, 在电子器件中应用广泛, 具有重要的研究意义. 本文基于密度泛函理论, 采用GGA+U方法, 应用第一性原理对间隙H掺杂前后的六方相α-Fe₂O₃的晶格常数、态密度、Bader 电荷分布进行了计算分析. 研究了U值对结果的影响, 发现U=6 eV时, 体相α-Fe₂O₃的晶胞平衡体积、Fe原子磁矩、带隙值与实验值最符合. 在选取合适U值后, 第一性原理计算结果表明, H掺杂后, 间隙H部分被氧化, 其最近邻的Fe 和O部分被还原, H和O有一定程度的成键. 在费米面附近, 出现了新的杂化能级, 杂化能级扩展了价带顶的宽度, 同时导带底下移, 引起带隙减小, 表明H掺杂是一种有效的能带结构调控方法.     

The influence of oxygen deficiency and Sb doping on inverse photoemission spectra of SnO2

The changes in the empty electronic states in SnO₂ produced by ion-beam induced oxygen deficiency and by Sb doping have been studied by inverse photoemission spectroscopy. Inverse photoemission in SnO₂ itself is dominated by peaks 4 and 12 eV above the Fermi level, the former associated with empty states of dominant Sn 5p atomic character. Sb doping populates states in the Sn 5s conduction band, shifting the empty state structure closer to the Fermi energy. By contrast oxygen deficiency introduces new states above the main Sn 5p peak. These are tentatively described as 5s-5p hybrids pushed up in energy from the 5p band by mixing between atomic orbitais of different parity in the non-centrosymmetric cation environment of oxygen deficient SnO₂.     

PbWO4电子结构的密度泛函计算

采用基于密度泛函理论的相对论性离散变分和嵌入团簇方法模拟计算了PbWO4 晶体的本征能级结构 .发现价带主要由O2p轨道组成 ,含有部分W 5d轨道 ;导带主要由W 5d和O2 p的轨道组成 .发现导带底由Pb6 p1/ 2 的狭窄能级占有 .禁带宽度和价带宽度分别约为 4.8和 4eV .计算结果很好地解释了实验得到的反射谱 ,并从理论上分析了PbWO4 晶体蓝光的发光模型     

锰掺杂二硅化铬电子结构和光学性质的第一性原理计算

采用基于第一性原理的密度泛函理论(DFT)赝势平面波方法计算了锰掺杂二硅化铬(CrSi2)体系的能带结构、态密度和光学性件质.计算结果表明末掺杂CrSi2属于间接带隙半导体间接带隙宽度△ER=0.35 eV;Mn掺杂后费米能级进入导带,带隙变窄,且间接带隙宽度△Eg=0.24 eV,CrSi2转变为n型半导体.光学参数发生改变,静态介电常数由掺杂前的ε1(O)=32变为掺杂后的ε1(O)=58;进一步分析了掺杂对CrSi2的能带结构、态密度和光学性质的影响,为CrSi2材料掺杂改件的研究提供r理论依据.     

M’型GdTaO4电子结构的第一性原理研究

运用基于密度泛函理论的赝势平面波方法计算了M’型GdTaO₄的电子结构.结果表明：M’型GdTaO₄价带顶主要由O-2p电子构成,导带底由Ta-5d的e轨道电子构成;当U_eff=8 eV时,自旋向上和自旋向下的Gd-4f电子分别局域于价带顶以下627 eV和导带底以上301 eV处;计算得到M’型GdTaO₄的折射率为224,与应用半经验的Gladstone-Dale关系得到的结果符合得很好. 关键词： M’型钽酸钆 第一性原理计算 能带 态密度     

Zn1-xCdxS三元混晶的电子结构及光学性质计算与实验验证

基于密度泛函理论的平面波超软赝势法,计算了Zn_1-xCd_xS三元混晶的电子结构和光学性质。计算结果表明,Cd进入ZnS晶格后,禁带宽度变窄,硫空位(V_S)缺陷能级随x值增大逐渐向费米能级移动,在紫外和可见波段的吸收截止波长随着x值增大逐渐红移。采用共沉淀法制备了Zn_1-xCd_xS三元混晶,XRD图谱表明形成了Zn_1-xCd_xS合金相,吸收光谱显示了与理论计算相符的能带和吸收截止边的移动规律,荧光光谱显示与V_S相关的发射峰随x增大逐渐红移,与计算得到的V_S缺陷能级的移动规律相同。     

PbWO4电子结构的密度泛函计算

采用基于密度泛函理论的相对论性离散变分和嵌入团簇方法模拟计算了PbWO₄晶体的本征能级结构.发现价带主要由O2p轨道组成,含有部分W5d轨道;导带主要由W5d和O2p的轨道组成.发现导带底由Pb6p_1/2的狭窄能级占有.禁带宽度和价带宽度分别约为4.8和4eV.计算结果很好地解释了实验得到的反射谱,并从理论上分析了PbWO₄晶体蓝光的发光模型. 关键词： 密度泛函 电子结构 4')" href="#">PbWO₄     

Evidence for suppressed screening on the surface of high temperature La(2-x)SrxCuO4 and Nd2(2-x)CexCuO4 superconductors

Hard x-ray photoemission spectroscopy (PES) of Cu core electronic states, with a probing depth of approximately 60 A, is used to show that the Zhang-Rice singlet feature is present in La2CuO4 but is absent in Nd2CuO4. Hole and electron doping in La(2-x)SrxCuO4 (LSCO) and Nd(2-x)CexCuO4 (NCCO) result in new well-screened features which are missing in soft x-ray PES. Impurity Anderson model calculations establish screening from doped states as its origin, which is strongly suppressed within 15 A of the surface. Complemented with x-ray absorption spectroscopy, the small chemical-potential shift in core levels (approximately 0.2 eV) are shown to be consistent with modifications of valence and conduction band states spanning the band gap (approximately 1 eV) upon hole and electron doping in LSCO and NCCO.     

KDP和尿素晶体电子结构的第一性原理研究

基于第一性原理的平面波超软赝势法对KDP(KH₂PO₄)和尿素(CH₄N₂O)晶体的能带结构、电子态密度、电荷差分密度以及布局分析进行了计算讨论.结果表明:尿素晶体中的C1-O1、C1-N1、N1-H2和N1-H1键都具有共价键特性,带隙值为4.636 eV,价带顶主要由H-1s与N、O的2p态贡献,导带底主要是H-1s与C、N、O的2p态贡献;KDP晶体的H1-O1键具有离子性而P1-O1则具有共价性,带隙宽度为5.713 eV,价带顶主要由O-2p以及P-3p贡献,导带底主要由H-1s、P-3s和3p以及K-4s和3p态贡献.