过渡金属 X（ X=Cr、Mn、Fe、Tc、Re ）掺杂Janus Ga2SSe 的第一性原理研究

利用密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法，研究过渡金属X(X=Cr、Mn、Fe、Tc、Re)原子掺杂Janus Ga₂SSe的磁性、电子性质及光学性质.研究表明：过渡金属掺杂Janus Ga₂SSe体系在Chalcogen-rich条件下有着比Ga-rich条件下更好的稳定性.其中Mn掺杂体系形成能在两种条件下皆为最低.本征Ga₂SSe是具有2.02 eV带隙的间接带隙半导体，在紫外区域有着很好的光伏吸收能力.与本征Ga₂SSe相比，Cr掺杂体系自旋向上通道出现杂质能级，自旋向上与向下通道不对称，呈磁矩为2.797μ_B铁磁性半金属. Mn掺杂体系在其自旋向上通道产生的杂质能级，呈磁矩为3.645μ_B的磁性P型半导体. Fe掺杂体系自旋向下通道产生的杂质能级，呈磁矩为3.748μ_B磁性P型半导体.在Tc与Re掺杂后，带隙皆由间接变直接带隙，呈无磁性的P型半导体.从光学性质来看，各掺杂体系与未掺杂Ga₂SSe在介电...     

硅团簇自旋电子器件的理论研究

利用过渡金属掺杂的硅基团簇, 构建了一种自旋分子结; 并利用第一性原理方法, 对其电子自旋极化输运性质进行了研究. 计算表明, 通过过渡金属掺杂可以有效地产生自旋极化电流, 磁性金属Fe和非磁性金属Cr和Mn掺杂的体系呈现出较明显的自旋极化透射现象, 但分子结的自旋极化输运能力与团簇孤立状态下的磁矩无一致性.从Sc到Ni的掺杂, 体系的自旋极化透射能力先增大后迅速减小, 在Fe掺杂的Si₁₂团簇中出现最大值. 关键词： 硅团簇 自旋极化输运 密度泛函理论 非平衡格林函数     

非金属N和过渡金属(Mo, Ru, Rh, Pd)掺杂SnO2磁性的第一性原理研究

本文基于第一性原理方法,对非金属元素(N)与过渡金属元素(Mo, Ru, Rh, Pd)掺杂SnO₂的电子结构和磁学性质进行计算分析.结果表明：形成能与过渡金属原子半径密切相关,随着过渡金属原子半径的增加,形成能在降低,其中N-Mo掺杂体系形成能最低,故该体系最容易掺杂形成;能带结构分析表明,由于掺杂体系自旋向上/向下杂质能级的数量和分布均不对称,掺杂体系均有磁性产生;进一步探究态密度可知,体系产生磁性的原因是过渡金属原子和N原子之间产生p-d轨道杂化,最外层电子轨道上的空位及单电子相互耦合所导致.结果表明,由于掺杂原子的引入,SnO₂体系产生磁性,并且掺杂体系呈现亚铁磁性,其中N-Rh掺杂体系的磁性最好,其磁矩为1.88μB,有望成为良好的稀磁半导体材料.     

原子替位掺杂对单层Janus WSeTe电子结构的影响

基于第一性原理计算系统地研究了氮族、卤族和3d过渡金属元素(Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co)替位掺杂对单层Janus过渡金属硫族化合物WSeTe电子结构的影响.通过对能带结构、电荷转移以及磁性的分析,发现氮(卤)族原子替位掺杂单层WSeTe会发生本征半导体-p (n)型半导体的转变, Ti, V原子替位掺杂单层WSeTe会发生半导体-金属的转变.由于电荷转移以及氮族原子掺杂时价带顶的能带杂化现象,卤族和氮族非金属元素掺杂时价带顶G点附近的Rashba自旋劈裂强度在同一主族随着掺杂原子原子序数的增大而增大. 3d过渡金属元素掺杂会产生能谷极化和磁性,其中Cr, Mn原子替位掺杂会产生高于100 meV的能谷极化,并且Cr,Mn, Fe元素掺杂在禁带中引入了电子自旋完全极化的杂质能级.研究结果对系统地理解单层WSeTe掺杂模型的性质具有重要意义,可以为基于单层WSeTe的电子器件设计提供理论参考.     

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     

过渡金属元素X（X=Mo，Tc，Ru）掺杂单层GaS的第一性原理研究

近年来，二维GaS由于其优异的性质引起了科研人员的关注.基于密度泛函理论计算了过渡金属元素X(X=Mo, Tc, Ru)掺杂单层二维GaS的电子结构、磁性性质及光学性质.计算结果表明：单层GaS材料为间接带隙的非磁性半导体，在对S位点进行替位式掺杂后，Ga-rich和S-rich条件的形成能均为正数，导致过渡金属元素Mo、Tc和Ru不能自发地进入进入单层GaS材料中.所有掺杂体系都引入了杂质能级，杂质能级主要由掺杂原子的4d轨道贡献.掺杂后所有体系的带隙都有所减小，上自旋和下自旋的能带结构不再对称，使得Mo掺杂体系呈现半金属铁磁性，Tc和Ru掺杂体系呈磁性半导体特性，Mo、Tc和Ru掺杂后的总磁矩分别为4μ_B, 3μ_B和2μ_B,磁矩主要由掺杂原子的局域磁矩产生.掺杂后单层GaS的静介电常数得到提高，吸收谱出现红移，在可见光区和近红外区的吸收系数变大，对可见光的利用率增强.     

TM掺杂的Ⅲ-Ⅴ族稀磁半导体电磁性质的第一原理计算

使用基于自旋局域密度泛函理论的第一性原理方法对3d过渡金属(TM=V，Cr，Mn，Fe，Co和Ni)掺杂的Ⅲ-Ⅴ族半导体(GaAs和GaP)的电磁性质进行了计算.结果发现：用V，Cr和Mn掺杂时体系将出现铁磁状态，而Fe掺杂时将出现反铁磁状态，Co和Ni掺杂时，其磁性则不稳定.其中，Cr掺杂的GaAs和GaP将可能是具有较高居里温度的稀磁半导体(DMS).在这些DMS系统中，V离子的磁矩大于理论期待值，Fe，Co和Ni离子的磁矩小于理论期待值，Cr和Mn离子的磁矩与期待值的差距取决于晶体的对称性以及磁性离子的能带分布.此外，使用Si和Mn共同对Ⅲ-Ⅴ族半导体进行掺杂，将有利于DMS表现为铁磁状态，并可以使体系的T_C进一步提高. 关键词： 稀磁半导体 过渡金属 掺杂 共掺杂     

过渡金属(Cr,Mn,Fe,Co)掺杂对TiO_2磁性影响的第一性原理研究

关于过渡金属掺杂TiO_2是否会产生室温铁磁性及其磁性的来源存在争议,为了解决此问题,本文采用基于密度泛函理论下的GGA+U方法对体系Ti_(0.875)X_(0.125)O_2 (X=Cr,Mn,Fe,Co)的磁学性质及光学性质进行了第一性原理的研究.首先计算了铁磁和反铁磁的基态能量,比较后推测出铁磁态为它们的基态;分析能带结构发现Ti_(0.875)Cr_(0.125)O_2和Ti0.875Mn_(0.125)O_2两种体系保持半导体性质,Ti_(0.875)Fe_(0.125)O_2和Ti_(0.875)Co_(0.125)O_2两种体系表现金属特性;掺杂体系都产生了室温铁磁性,磁性来源主要是过渡金属元素(Cr,Mn,Fe,Co)3d电子轨道诱导极化了周围的O-2p态自旋电子,导致体系产生净磁矩而呈现铁磁性;掺杂体系的吸收光谱均发生了红移,有效扩展了对可见光的吸收范围.     

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.     

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.     

Magnetism and electronic structure of Mn- and V-doped zinc blende ZnTe from first-principles calculations

By means of the first-principles full potential linearized augmented plane-wave method within the local density approximation for the exchange-correlation functional, we have investigated the magnetism and electronic structure of Mn- and V-doped zinc blende ZnTe. Total energy calculations show that, for high doping concentration (12.5%), ZnTe:Mn has an antiferromagnetic ground state while the ferromagnetic state is more favorable than the antiferromagnetic state for ZnTe:V. Furthermore, ZnTe with a low doping of Mn (6.25%) has a stable ferromagnetic ground state, which is in agreement with the experimental results. The calculated magnetic moment of ZnTe doped with Mn (V) mainly originates from transition metal Mn (V) atom with a little contribution from Te atom due to the hybridization between Mn (V) 3d and Te 5p electrons. Electronic structure indicates that Mn-doped ZnTe is a semiconductor, but V-doped ZnTe shows a half-metallic characteristic. We also discuss the difference between electronic and magnetic properties for ZnTe doped with 12.5% and 6.25% Mn.     

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.     

(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.     

Electronic and magnetic properties of V- and Cr-doped zinc-blende AlN

The electronic and magnetic properties of the zinc-blende aluminum nitride doped with V and Cr are studied using the density functional theory (DFT), namely the KKR-CPA-PBE method. Pure AlN is found to be a wide band gap semiconductor, and doping V and Cr single impurities generate ferromagnetic half-metallic behavior. Moreover, the values of the formation energy reveal that these compounds are stable systems for all dopant concentrations. A self-consistent energy minimization scheme determines the ferromagnetic state as the stable magnetic state for V- and Cr-doping AlN. A double exchange mechanism is identified as the mechanism responsible for magnetism in our systems. When increasing doping impurities, the total magnetic moments increase linearly and the Curie temperature T_C, calculated using the mean-field approximation, shows a significant change. The present findings reveal Cr- and V-doped zinc-blende AlN as potential candidates for high Curie temperature ferromagnetic materials.     

Carrier and magnetism engineering for monolayer SnS2 by high throughput first-principles calculations

Two-dimensional (2D) semiconducting tin disulfide (SnS₂) has been widely used for optoelectronic applications. To functionalize SnS₂ for extending its application, we investigate the stability, electronic and magnetic properties of substitutional doping by high throughput first-principles calculations. There are a lot of elements that can be doped in monolayer SnS₂. Nonmetal in group A can introduce p-type and n-type carriers, while most metals in group A can only lead to p-type doping. Not only 3d, but also 4d and 5d transition metals in groups VB to VⅢB9 can introduce magnetism in SnS₂, which is potentially applicable for spintronics. This study provides a comprehensive view of functionalization of SnS₂ by substitutional doping, which will guide further experimental realization.     

不同价态Mn掺杂InN电子结构、磁学和光学性质的第一性原理研究

采用密度泛函理论体系下的广义梯度近似GGA+U平面波超软赝势方法,在构建了纤锌矿结构的InN超胞及三种不同有序占位Mn~(2+),Mn~(3+)价态分别掺杂InN超胞模型,并进行几何优化的基础上,计算了掺杂前后体系的电子结构、能量以及光学性质.计算结果表明:Mn掺杂后体系总能量和形成能降低,稳定性增加,并在费米能级附近引入自旋极化杂质带,体系具有明显的自旋极化现象.掺杂不同价态的Mn元素对体系电子结构和磁学性质产生了不同的影响.电子结构和磁性分析表明掺杂体系的磁性来源于p-d交换机制和双交换机制的共同作用,Mn~(3+)价态掺杂有利于掺杂体系的居里温度达到室温以上.与未掺杂InN相比,不同价态Mn元素掺杂后体系的静态介电函数显著增大,掺杂体系介电函数虚部和吸收光谱在低能区域出现了较强的新峰,分析认为这些新峰主要来自与费米能级附近自旋极化杂质带相关的跃迁.     

Induction of an atomically thin ferromagnetic semiconductor in 1T′ phase ReS2 by doping with transition metals

Two-dimensional 1T′ phase ReS₂, a transition metal dichalcogenide, has a unique structure and electronic properties that are independent of thickness. The pure phase is a nonmagnetic semiconductor. Using density functional theory calculations, we show that ReS₂ can be tuned to a magnetic semiconductor by doping with transition metal atoms. The magnetism mainly comes from the dopant transition metal and neighboring Re and S atoms as a result of competition between exchange splitting and crystal field splitting. ReS₂ doped with Co can be considered as a promising diluted magnetic semiconductor owing to its strong ferromagnetism with long-range ferromagnetic interaction, high Curie temperature (above room temperature) and good stability. These findings may stimulate experimental validation and facilitate the development of new atomically thin diluted magnetic semiconductors based on transition metal dichalcogenides.     

(TiO2)12量子环及过渡金属化合物掺杂对其电子性质影响的密度泛函理论研究

本文采用第一性原理中基于密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA)方法, 设计了一种新的(TiO₂)₁₂ 量子环结构, 研究了它的几何结构、平均结合能及电子云分布等属性. 在此新型结构的基础上, 分别采用过渡金属化合物MoS₂, MoSe₂, MoTe₂, WS₂, WSe₂和WTe₂进行掺杂, 并分析了掺杂后体系的几何结构及电子属性(如平均结合能、能级结构、HOMO-LUMO轨道电子云密度分布和电子态密度等). 计算结果表明: (TiO₂)₁₂量子环直径为1.059 nm, 呈中心对称分布, 且所有原子组成一个二维平面结构, 使其几何结构比较稳定, 另外该量子环HOMO-LUMO轨道电子云分布均匀, 且能隙为3.17 eV, 与半导体材料TiO₂晶体的能隙的实验值(3.2 eV)非常接近. 掺杂后量子环的能隙均大幅减小, 其中WTe₂的掺杂结果能隙最小, 仅为0.61 eV, MoTe₂的掺杂结果能隙最大, 为1.16 eV, 也比掺杂前减小约2.0 eV. 其他掺杂结果的能隙都在1 eV左右, 变化不大. 这个能隙的TiO₂可以利用大部分的太阳光能, 使TiO₂具有更为广泛的应用.     

过渡金属原子掺杂对单层MoS_2磁性的影响

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法分别计算了本征及过渡金属掺杂单层MoS_2的晶格参数、电子结构和磁性性质.计算结果显示,过渡金属掺杂所引起的晶格畸变与杂质原子的共价半径有联系,但并不完全取决于共价半径的大小.分析电子结构可以看到,VIIB、VIII和IB族杂质中除Ag和Re外的掺杂体系都对外显示磁性,磁矩主要集中在掺杂的过渡金属原子上.掺杂体系的禁带区域都出现了数目不等的杂质能级,这些杂质能级主要由杂质的d、S的3p和Mo的4d轨道组成.