单层haeckelites结构Ⅲ族金属硫族化合物MX(M=Al,Ga,In;X=S,Se,Te)

通过详尽的第一性原理计算,提出了一类新型的二维III族金属硫族化合物MX (M=Al, Ga, In; X=S,Se, Te)的同素异形体.这类化合物的结构是由正方形和八边形环构成的.计算得到的结合能和声子谱表明,所有的结构都同时具有能量和动力学稳定性.所有结构都是间接带隙半导体,其带隙大小随X原子由S到Se到Te的变化而减小.计算结果表明这类材料具有很广的带隙范围,从1.88到3.24 eV,同时它们的能带结构可以通过双轴应变进一步调节.这些结构具有丰富的电子结构性质和可调的带隙,有可能被用于未来纳米电子学领域.     

密度泛函理论研究硫族元素取代对单层Ag2S结构和电子性质的影响

本文利用第一性原理计算讨论了硫族元素掺杂单层Ag₂S的缺陷形成能和电子性质.缺陷形成能反映了在富Ag条件下的掺杂更容易.计算得到的带隙、Mulliken布居和态密度展示出了其相应结构的电子性质.与纯单层的Ag₂S相比,Se/Te掺杂Ag₂S后的带隙显示出其电导率变化不大.基于Mulliken原子和键布居,研究了硫族元素掺杂后Ag₂S中的共价性.此外,通过讨论态密度,分析了能级的移动和电子的贡献.     

氧空位对ZnO基(110)二维膜材料电子结构的影响研究

在密度泛函理论方法的基础上,系统研究了本征氧化锌和氧空位氧化锌的(110)二维膜材料的形成和电子结构性质.计算分析结果表明,ZnO的本征(110)二维膜比氧空位的(110)二维膜稳定性高,ZnO的(110)二维膜有失去氧的倾向.本征ZnO的(110)膜为直接带隙型材料,带隙宽度为2.3 eV,氧空位(110)膜为间接带隙型材料,带隙宽度为1.877 eV.氧空位的(110)膜导带向下移动,并且导带中的能级简并化.氧空位(110)膜材料的导带底能级有2个能谷,分别位于1.877 eV和1.88 eV,这些位置的能级有效质量比本征膜大幅度增大,这些位置的电子速度普遍较低. ZnO的(110)膜产生氧空位之后,Zn的s电子参与形成其价带顶能级.氧空位(110)膜材料中Zn-O键的混合型结合倾向增大.     

Mg、Ge、Te、Zn掺杂LiFePO4电子结构的第一性原理计算

本文采用第一性原理研究了Mg、Ge、Te、Zn掺杂的LiFePO4的能带结构、总态密度以及分态密度. 研究结果显示：Mg、Ge、Te、Zn掺杂的LiFePO4的带隙低于本征体系,有利于电子的跃迁.本征LiFePO4的能带与掺Mg、Ge、Te、Zn体系带隙之差分别为0.04 eV,0.263eV,0.691eV,1.251eV, 说明掺杂Mg、Ge、Te、Zn能够有效的对其能带实现精确调控.在费米能级处,Mg、Ge、Te、Zn掺杂LiFePO4的态密度主要由Fe的d轨道贡献.     

Mn掺杂6H-SiC的第一性原理研究

本文通过密度泛函理论第一性原理平面波超软赝势计算方法计算了Mn掺杂6H-SiC的电子结构与光学性质。计算结果显示掺杂Mn后的6H-SiC为间接带隙p型半导体,且带隙较本征体有所降低,带隙由2.022 eV降为0.602 eV,电子从价带跃迁所需能量减少。掺杂后的Mn的3d能级在能带结构中以杂质能级出现,提高了载流子浓度,导电性增强。光学性质研究中,掺杂Mn后的介电函数虚部在低能处增加,电子激发态数量增多,跃迁概率增大。掺杂后的光吸收谱能量初值也较未掺杂的3.1 eV扩展到0 eV,反射谱发生红移。由于禁带宽度的降低使得光电导率起始范围得到扩展。     

V族元素掺杂的单层二维铁电α-In2Se3中的带隙异常增大现象

基于第一性原理密度泛函理论计算, 我们探索了 V 族元素(P,As 和Sb) 掺杂的单层二维铁电α-In2Se3 的电子结构. 由于本征的α-In2Se3 中存在两个不等价的In 原子层,V 族元素掺杂在不同的In 原子层会表现出不同的能带结构, 对于带隙变化尤为明显. 当掺杂元素位于α-In2Se3 的四面体配位的In 原子层时, 其带隙相比于本征的单层α-In2Se3 的带隙明显增大, 这与通常半导体或绝缘体中杂质掺杂的物理图像相反. 利用α-In2Se3 的铁电特性, V族元素掺杂的单层α-In2Se3 的带隙可以通过施加外电场翻转α-In2Se3 电极化的方向来调控. 这项工作为在二维材料中构建具有不同电子性质的非易失双态提供了一种实际有效的方法.     

NiAs、PbO型FeX(X=S,Se,Te)结构的稳定性与电子特征

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,Ni As与Pb O型Fe X(X=S,Se,Te)结构的稳定性与电子特征得到了研究.计算结果显示Fe的内聚能与X-Fe元素之间的相互作用是影响Fe X结构稳定性的重要因素.当X原子半径较小、电负性较大时(X=S),Fe X趋向于形成Fe-X相互作用较强、密度较大的Ni As型结构;当X原子半径较大、电负性较小时(X=Se,Te),Fe X趋向于形成Fe-Fe相互作用较强、密度较小的Pb O型结构.此外,压强使得Pb O型Fe X结构的稳定性降低.当压强分别大于5、9 GPa时,Fe Te、Fe Se趋向于形成Ni As型结构.Pb O型Fe Se中Fe原子周围的电子密度随压强的增大而增大.     

单层Nb2SiTe4基化合物的带隙异常变化

传统硫族化合物中阳离子相同时,随着阴离子原子序数的增加,价带顶逐渐升高,带隙呈减小趋势.在A₂BX₄基(A=V,Nb,Ta;B=Si,Ge,Sn;X=S,Se,Te)化合物中,观察到随着阴离子原子序数增加,其带隙呈现反常增大的现象.为了探究其带隙异常变化的原因,基于第一性原理计算,对A₂BX₄基化合物的电子结构展开系统地研究,包括能带结构、带边相对位置、轨道间耦合作用以及能带宽度等影响.研究发现,Nb2SiX4基化合物中Nb原子4d轨道能量明显高于阴离子p轨道,其价带顶和导带底主要由Nb原子4d轨道相互作用组成,其带宽主要影响带隙大小.Nb₂SiX₄基化合物的带隙大小通过Nb—Nb和Nb—X键共同作用于Nb原子4d轨道的宽度来控制.当阴离子序数增加时,Nb—Nb键长增加,其相互作用减弱,由Nb原子4d轨道主导的能带变宽,带隙减小;另一方面,Nb—X键长增加又使Nb原子4d带宽变窄,带隙增加,并且Nb—X键长增长占主导,所以带隙最终呈现异常增加的趋势.     

二维BX(X=S,Se,Te)结构预测与性质的第一性原理研究

采用基于粒子群优化算法的结构预测程序CALYPSO结合密度泛函理论的VASP软件包,预测得到二维BX(X=S、Se、Te)的最低能量结构,该结构是由B和X原子形成的双层褶皱的六角密堆积结构,层与层之间较强的B-B键是稳定结构的关键．凝聚能和声子谱计算结果表明二维BX(X=S、Se、Te)在热力学和动力学上均是稳定的．能带结构和电子态密度的计算分析发现三种二维材料均呈现间接带隙半导体行为,带隙分别为3.98 eV（BS）、3.84 eV（BSe）和2.31 eV（BTe）. 采用“应力应变”方法,计算得到二维BX(X=S、Se、Te)的弹性常数、杨氏模量、泊松比以及杨氏模量和泊松比随方向变化的关系并进行了详细的讨论, 发现杨氏模量和泊松比呈现各向同性. 除此之外,我们还研究了二维BX(X=S、Se、Te)的应力-应变关系,发现BTe较BS和BSe有较强的抗拉伸性．由于BS和BSe在价带顶有效质量较大,为此,我们采用形变势理论研究了BTe的载流子迁移率. 结果发现BTe在ao1和ao2方向上的电子迁移率分别为20.8和122.6 cm2V-1s-1,而空穴在两个方向上的迁移率分别为673.4和65.0 cm2V-1s-1, 空穴在ao1方向上的较高的迁移率说明二维BTe具有较好的输运性质．     

稀土元素Lu，Sc掺杂GaN光电特性的第一性原理研究

基于密度泛函理论，采用广义梯度近似（GGA+U）平面波超软赝势方法，计算了本征GaN和稀土元素Lu、Sc掺杂GaN体系的电子结构和光学性质.结果表明：计算得到本征GaN的禁带宽度为3.37 eV，与实验值（3.39 eV）接近. Lu掺杂后GaN体系带隙变窄，而Sc掺杂后诱导了深能级杂质，带隙变宽，但仍为直接带隙半导体.掺杂后体系均发生畸变，晶格常数和体积增大，且在费米能级附近产生杂质带. Lu、Sc掺杂GaN体系的静态介电常数较本征GaN（4.50）均有所增大.Lu、Sc掺杂后体系介电常数虚部整体左移，光吸收边往低能方向移动，发生了红移现象.计算结果对稀土元素Lu、Sc掺杂GaN高压光电材料的开发和研究提供了理论依据.     

新型偶氮苯衍生物的三阶非线性光学特性

本文以30 ps的脉冲激光为激发光源,用Z扫描技术研究了偶氮苯类材料4-羟基-4’-羧基偶氮苯(BN)和N-(3,4,5-辛氧基苯基)-N’-4-[(4-羟基苯)偶氮苯]1,3,4-恶二唑(AOB-t8)及金属复合物(Au/AOB-t8)的三阶非线性光学性质,并从理论上进行了分析和计算.结果表明,AOB-t8的三阶非线性极化率是BN的1.38倍,其非线性光学效应的增大是由共轭链增长、大π键增多引起的.结果同时给出,AOB-t8的三阶非线性极化率是其与金纳米颗粒复合物的4.7倍,这种与金属复合产生的非线性光学效应的减弱是金属引入的局域场效应与有机分子大π键作用之间相互抵消导致的.     

Theoretical optoelectronic analysis of intermediate-band photovoltaic material based on ZnY1-xOx （Y = S,Se, Te） semiconductors by first-principles calculations

The structural, energetic, and electronic properties of lattice highly mismatched ZnY1-xOx （Y = S, Se, Te） ternary alloys with dilute O concentrations are calculated from first principles within the density functional theory. We demonstrate the formation of an isolated intermediate electronic band structure through diluted O-substitute in zinc-blende ZnY （Y = S, Se, Te） at octahedral sites in a semiconductor by the calculations of density of states （DOS）, leading to a significant absorption below the band gap of the parent semiconductor and an enhancement of the optical absorption in the whole energy range of the solar spectrum. It is found that the intermediate band states should be described as a result of the coupling between impurity O 2p states with the conduction band states. Moreover, the intermediate bands （IBs） in ZnTeO show high stabilization with the change of O concentration resulting from the largest electronegativity difference between O and Te compared with in the other ZnSO and ZnSeO.     

NLO characteristics of D-π-A coumarin-thiophene bridged azo dyes by Z-scan and DFT methods

ABSTRACT

The structural, electronic, intramolecular charge transfer (ICT) and nonlinear optical (NLO) properties of the donor-π-acceptor (D-π-A) azo linked dyes bearing coumarin thiophene bridge with different acceptors were inspected by Z-scan and DFT methods. The dye 3a exhibits bathochromic absorption maxima (649 and 650?nm) in the near IR region in DMF and DMSO. The dye 3a holds low HOMO–LUMO gap elucidated by CV and DFT indicating strong ICT character. The thermal stability is high for 3a and it shows enhanced NLO property by Z-scan and DFT methods as predicted in both global and range-separated hybrid functionals. The molecular geometry was optimised using B3LYP/6-311?+?g(d,p). The ICT characteristics are correlated with NLO properties obtained by Z-scan and DFT techniques.     

4,7-二(5-溴噻吩-2-基)-2,1,3-苯并噻二唑低聚物光伏性能的理论研究

采用密度泛函理论中的广义梯度近似方法, 在PW91/DNP水平上研究了4,7-二(2-溴代噻吩-5-基)-2,1,3-苯并噻二唑(简称DT(Br)BT)的低聚合物(DT(Br)BT)n(n=1~6)的稳定构型、前线轨道和吸收光谱. 结果表明: 随着聚合度增加, (DT(Br)BT)n的聚合能增强, 前线轨道能隙变窄, 而且(DT(Br)BT)2和(DT(Br)BT)5-ring均为平面构型. 光谱分析表明: DT(Br)BT单体的最强吸收峰384 nm在紫外区; 当n=2~6时,(DT(Br)BT)n的吸收峰均发生红移, 而且环状聚合物红移程度不如链状聚合物红移程度大;(DT(Br)BT)2最强吸收峰757 nm在可见光区, 其余(DT(Br)BT)n(n=3~6)的最强吸收峰都在红外区. 通过比较稳定构型、前线轨道和吸收光谱表明, (DT(Br)BT)2和(DT(Br)BT)5-ring具有更好的光伏性能, 此研究结果对太阳能电池材料的发展具有潜在的指导意义.     

苯乙烯化苯酚的密度泛函研究

以苯乙烯化苯酚(SP-2)为研究对象,采用密度泛函理论的M06-2X/6-311g(d,p)方法,进行了分子结构优化.在此基础上,对其分子轨道、能级、最高占据轨道(HOMO)和最低空轨道(LUMO)、红外光谱(IR)、核磁共振谱(NMR)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)进行了模拟计算.根据能级和分子轨道计算结果,主要讨论了苯乙烯化苯酚的最高占据轨道(HOMO)和最低空轨道(LUMO)的特点;获得了红外光谱(IR)、核磁共振谱(NMR)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)计算结果,并对谱图数据进行了分析讨论.     

碳掺杂硼氮纳米管电子场发射的第一性原理研究

对闭口硼氮纳米管（BNNT）顶层掺碳体系,运用第一性原理研究了电子场发射性能.结果表明,掺碳的BNNT体系电子结构变化显著;外电场愈强,体系态密度向低能端移动幅度愈大,且最高占据分子轨道（HOMO）/最低未占据分子轨道（LUMO）能隙愈小.体系态密度和局域态密度,HOMO和LUMO及其能隙分析一致表明,各种碳掺杂体系中C_eqBNNT的场发射性能最佳. 关键词： 硼氮纳米管 碳掺杂 第一性原理     

Dimers of heavy <Emphasis Type="Italic">p</Emphasis>-elements of groups IV–VI: Electronic,vibrational, and magnetic properties

Equilibrium lengths and binding energies, vibrational frequencies, width of the HOMO–LUMO gap, and the magnetic anisotropy energies for one- and two-component dimers of heavy p elements of Groups IV (Sn, Pb), V (Sb, Bi), and VI (Se, Te) with a pronounced relativistic effect have been calculated with the use of the formalism of the density functional theory. It has been shown that it is necessary to take into account the spin–orbit coupling, which significantly affects the energy parameters of clusters. The analysis of the data obtained has revealed that the Pb–Te, Pb–Se, Sn–Te, and Sn–Se dimers have the widest gap at the Fermi level and the lowest reactivity. The magnetic anisotropy energy has been calculated for all single- and doublecomponent dimers and the direction of the easy magnetization axis has been determined.     

Bound states in optical absorption of semiconductor quantum wells containing a two-dimensional electron Gas

The dependence of the optical absorption spectrum of a semiconductor quantum well on two-dimensional electron concentration n(e) is studied using CdTe samples. The trion peak (X-) seen at low n(e) evolves smoothly into the Fermi edge singularity at high n(e). The exciton peak (X) moves off to high energy, weakens, and disappears. The X,X- splitting is linear in n(e) and closely equal to the Fermi energy plus the trion binding energy. For Cd0.998Mn0.002Te quantum wells in a magnetic field, the X,X- splitting reflects unequal Fermi energies for M = +/-1/2 electrons. The data are explained by Hawrylak's theory of the many-body optical response including spin effects.     

First-principles study of electronic and optical properties of BaS,BaSe and BaTe

The optimized crystal structure, energy band structures, density of states (DOS) and optical properties of BaX (X=S, Se and Te) were investigated by the full potential linearized augmented plane wave plus local orbitals method (FP-LAPW+lo). The exchange-correlation potential was treated using the generalized gradient approximation (GGA). We have used also Engel and Vosko GGA (EV-GGA) formalism to improve the band gap results. The calculated results such as band gaps, dielectric constants and reflectivity spectra showed good agreement with the experimental data. The effect of the spin-orbit coupling (SOC) on the optical properties was also studied and found to be very small, especially in the low-energy region.     

First principles study on the structural, electronic and optical properties of diluted magnetic semiconductors Zn1-xCoxX （X=S, Se, Te）

The electronic and optical properties of zincblende ZnX（X=S, Se, Te） and ZnX：Co are studied from density functional theory （DFT） based first principles calculations. The local crystal structure changes around the Co atoms in the lattice are studied after Co atoms are doped. It is shown that the Co-doped materials have smaller lattice constant （about 0.6%-0.9%）. This is mainly due to the shortened Co-X bond length. The （partial） density of states （DOS） is calculated and differences between the pure and doped materials are studied. Results show that for the Co-doped materials, the valence bands are moving upward due to the existence of Co 3d electron states while the conductance bands are moving downward due to the reduced lattice constants. This results in the narrowed band gap of the doped materials. The complex dielectric indices and the absorption coefficients are calculated to examine the influences of the Co atoms on the optical properties. Results show that for the Co-doped materials, the absorption peaks in the high wavelength region are not as sharp and distinct as the undoped materials, and the absorption ranges are extended to even higher wavelength region.