B掺杂锐钛矿型(101)面的电子结构和光学性质研究

采用平面波超软赝势方法计算了B掺杂锐钛矿型TiO2(101)面的几何结构、缺陷形成能、电子结构和光学性质.分析B掺杂后的几何结构,发现氧化气氛下B易于掺杂间隙1处,还原气氛下易于替位掺杂O3C2.计算了掺杂前后的氧空位VO形成能和替位形成能,得出B掺杂和氧空位相互促进的结论.B掺杂在导带底引入了杂质能级,B的2p态和Ti的3d态发生强烈关联而使带隙变窄,发生红移现象.O空位也使带隙变窄,但未发现红移现象.B掺杂和O空位同时存在则使吸收光谱扩展至整个可见光区.     

B掺杂锐钛矿型(101)面的电子结构和光学性质研究

采用平面波超软赝势方法计算了B掺杂锐钛矿型TiO2(101)面的几何结构、缺陷形成能、电子结构和光学性质.分析B掺杂后的几何结构,发现氧化气氛下B易于掺杂间隙1处,还原气氛下易于替位掺杂O3C2.计算了掺杂前后的氧空位VO形成能和替位形成能,得出B掺杂和氧空位相互促进的结论.B掺杂在导带底引入了杂质能级,B的2p态和Ti的3d态发生强烈关联而使带隙变窄,发生红移现象.O空位也使带隙变窄,但未发现红移现象.B掺杂和O空位同时存在则使吸收光谱扩展至整个可见光区.     

本征缺陷对β-Ga2O3光催化性质影响的第一性原理研究

运用第一性原理杂化泛函研究了本征缺陷(O空位和Ga空位)对于β-Ga₂O₃的几何结构和电子性质的影响.计算结构表明:杂化泛函B3LPY能很好的描述β-Ga₂O₃的几何结构和电子结构,能与实验符合.含O缺陷的形成能在富氧和贫氧下分别为4.04和0.92 eV,优于含Ga缺陷的体系.空位缺陷的出现对于理想Ga₂O₃的晶格参数影响不显著,只是在O空位体系中,空位附近Ga-O键长有0.1?变化.含空位缺陷的体系的禁带中都有缺陷能级的出现,含Ga和O空位缺陷的Ga₂O₃的光跃迁能分别为1.93 eV(β自旋)和2.92 eV,有很明显的光吸收的拓展,从理论上解释了Ga₂O₃作为光催化材料的潜在应用.     

LiF中空位形成能的第一性原理计算

采用平面波展开和基于密度泛函理论框架下的第一性原理赝势法,计算了102GPa下LiF化合物中Li空位和F空位的形成能及空间周围的原子弛豫,讨论了空位形成时电荷密度的重新分布,相应的电子态密度以及能带结构等性质.结果表明:LiF晶体中F空位的形成能比大于Li空位的形成能;F空位对LiF晶体的电子结构等性质的影响要比Li空位的大.     

LiF中空位形成能的第一性原理计算

采用平面波展开和基于密度泛函理论框架下的第一性原理赝势法,计算了102GPa下LiF化合物中Li空位和F空位的形成能及空间周围的原子弛豫,讨论了空位形成时电荷密度的重新分布,相应的电子态密度以及能带结构等性质.结果表明:LiF晶体中F空位的形成能比大于Li空位的形成能;F空位对LiF晶体的电子结构等性质的影响要比Li空位的大.     

单层缺陷碲烯电子结构与光学性质的第一性原理研究

碲烯是性质优异的新型二维半导体材料,研究缺陷碲烯的电子结构有助于理解载流子掺杂、散射等效应,对其在电子和光电器件中的应用有重要意义.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了常见点缺陷对单层β相碲烯电子结构和光学性质的影响,包括单空位、双空位及Stone Wales缺陷.研究发现,单层β相碲烯中单空位、双空位和Stone Wales缺陷的形成能在0.83—2.06 eV范围,低于石墨烯、硅烯、磷烯和砷烯中对应缺陷的形成能,说明实验上单层β相碲烯中容易形成点缺陷.点缺陷出现后,单层β相碲烯带隙宽度少有变化,禁带中出现依赖于缺陷类型的局域能级,部分双空位缺陷和Stone Wales缺陷使其由直接带隙变为间接带隙.同时我们发现,单层β相碲烯的光吸收性质与缺陷类型密切相关.部分缺陷能增大其静态介电常数,使它的复介电函数的实部、虚部及吸收系数在0—3 eV能量范围内出现新的峰,增强它在低能区的光响应、极化能力及光吸收.本文研究可为碲烯在电子和光电子器件中的应用提供理论参考.     

LiF中空位形成能的第一性原理计算

采用平面波展开和基于密度泛函理论框架下的第一性原理赝势法,计算了102GPa下LiF化合物中Li空位和F空位的形成能及空间周围的原子弛豫,讨论了空位形成时电荷密度的重新分布,相应的电子态密度以及能带结构等性质.结果表明:LiF晶体中F空位的形成能比大于Li空位的形成能;F空位对LiF晶体的电子结构等性质的影响要比Li空位的大.     

Cu离子注入单晶TiO_2微结构及光学性质的模拟研究

TiO_2是一种新型的第三代半导体材料,具有重要的应用价值.Cu离子掺杂单晶金红石TiO_2,可以改善TiO_2对光谱的响应范围,提高转化效率.本文利用第一性原理分别研究了Cu离子填隙、Cu替代Ti、氧空位、钛空位以及含有复合缺陷时金红石TiO_2结构及其相应光学性质的变化.结果表明,金红石的价带顶主要由O 2p轨道贡献,导带底主要由Ti 3d轨道贡献;掺杂Cu离子后会在能隙中产生两条新的杂质能级;Ti空位使得晶体费米能量降低,在价带顶产生新能级;O空位使得费米能量升高,在导带底产生新能级,表现出n型半导体性质.通过对含有复合缺陷的晶体电子结构的分析,得到同时含有O空位和Cu填隙时对晶体在可见光范围的吸收影响最大.     

TiO_2缺陷结构电子性质的第一性原理计算

本文采用第一性原理研究了O空位缺陷、Ti空位缺陷TiO_2的能带结构、总态密度、吸收谱.通过研究发现:与TiO_2超胞结构的能带相比,O空位缺陷体系的价带与导带能量均向低能区域移动,费米能级与导带底交错,呈现出n型半导体,Ti空位缺陷的TiO_2的费米能级与价带顶部的能级交错,为p型半导体材料.对于O空位缺陷TiO_2总态密度与分波态密度在低能区的态密度则主要由O的3s、3p轨道贡献的能量,而在费米能附近的态密度则主要由Ti的4d轨道贡献能量;Ti空位缺陷的态密度总态密度仍然由O的3s、3p和Ti的4d轨道贡献的能量;同时分析吸收光谱发现峰值下移较多的是钛缺陷体系,其原因在于Ti缺陷结构中未成键电子的相互作用.     

ZnS掺Ag与Zn空位缺陷的电子结构和光学性质

本文基于第一性原理平面波赝势(PWP)和广义梯度近似(GGA)方法,对ZnS闪锌矿结构本体、掺入p型杂质Ag和Zn空位超晶胞进行结构优化处理. 计算了三种体系下ZnS材料的电子结构和光学性质,并从理论上给出了p型ZnS难以形成的原因. 详细分析了其平衡晶格常数、能带结构、电子态密度分布和光学性质.结果表明:在Ag掺杂与Zn空位ZnS体系中,由于缺陷能级的引入,禁带宽度有所减小,在可见光区电子跃迁明显增强. 关键词： 硫化锌 缺陷 电子结构 光学性质     

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.     

氧空穴导致二氧化钒低温相带隙变窄

具有一定能量的光照导致低温绝缘二氧化钒(VO_2)发生绝缘体金属转变.本文通过密度泛函理论的Heyd-Scuseria-Ernzerhof杂化泛函方法对含氧空穴的低温绝缘VO_2非磁M1相进行第一性原理研究.研究发现,含氧空穴的M1的晶格参数几乎不变,但氧空穴附近的长的V—V键长却变短了.进一步研究发现,尽管纯的非磁M1的带隙是0.68 eV,但含O1和O2位的氧空穴非磁M1带隙分别为0.23 eV和0.20 eV,同时含有O1和O2位氧空穴非磁M1带隙为0.15 eV,这很好地解释了实验结果.     

具有氧空位Bi_xWO_6(1.81≤x≤2.01)的第一性原理计算和光催化性能研究

为了探索影响Bi_2WO_6光催化性能的内在机制,采用密度泛函理论(DFT)计算和实验研究了非化学计量和氧空位对Bi_2WO_6晶体结构、电子结构和显微结构的影响.采用溶剂热法合成了具有氧空位的非化学计量Bi_xWO_6(x=1.81,1.87,1.89,1.92,2.01)光催化剂.DFT计算结果表明,氧空位的存在可显著减小Bi_2WO_6的带隙,有利于光生电子的生成.实验结果表明,当Bi元素的含量小于化学计量比时,Bi_2WO_6的晶体结构发生了微小变形,Bi元素含量对Bi_2WO_6的显微结构影响不大,但会影响产品氧空位的含量和光吸收性能,并有效抑制电子空穴的复合.Bi_(1.89)WO_6产品的光催化性能最佳,可见光照射180 min后,可降解98%的罗丹明B.采用适当方法,使产品具有氧空位和非化学计量是获得高光催化活性材料的一种有效方法.     

点缺陷对单层MoS2电子结构及光学性质的影响研究

采用基于第一性原理的贋势平面波方法,对不同类型点缺陷单层MoS2电子结构、能带结构、态密度和光学性质进行计算。计算结果表明：单层MoS2属于直接带隙半导体,禁带宽度为1.749ev,V-Mo缺陷的存在使得MoS2转化为间接带隙Eg=0.671eV的p型半导体,V-S缺陷MoS2的带隙变窄为Eg=0.974eV,S-Mo缺陷的存在使得MoS2转化为间接带隙Eg=0.482eV; Mo-S缺陷形成Eg=0.969eV直接带隙半导体,费米能级上移靠近价带。 费米能级附近的电子态密度主要由Mo的4d态和s的3p态电子贡献。光学性质计算表明：空位缺陷对MoS2的光学性质影响最为显著,可以增大MoS2的静态介电常数、折射率n0和反射率,降低吸收系数和能量损失。     

MoO_3/Si界面区钼掺杂非晶氧化硅层形成的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,通过模拟MoO_3/Si界面反应,研究了MoO_x薄膜沉积中原子、分子的吸附、扩散和成核过程,从原子尺度阐明了缓冲层钼掺杂非晶氧化硅(a-SiO_x(Mo))物质的形成和机理.结果表明,在1500 K温度下, MoO_3/Si界面区由Mo, O, Si三种原子混合,可形成新的稳定的物相.热蒸发沉积初始时, MoO_3中的两个O原子和Si成键更加稳定,同时伴随着电子从Si到O的转移,钝化了硅表面的悬挂键. MoO_3中氧空位的形成能小于SiO_2中氧空位的形成能,使得O原子容易从MoO_3中迁移至Si衬底一侧,从而形成氧化硅层;替位缺陷中, Si替位MoO_3中的Mo的形成能远远大于Mo替位SiO_2中的Si的形成能,使得Mo容易掺杂进入氧化硅中.因此,在晶硅(100)面上沉积MoO_3薄膜时, MoO_3中的O原子先与Si成键,形成氧化硅层,随后部分Mo原子替位氧化硅中的Si原子,最终形成含有钼掺杂的非晶氧化硅层.     

金红石TiO_2中本征缺陷扩散性质的第一性原理计算

基于密度泛函理论的爬坡弹性带方法,对金红石相二氧化钛晶体中钛间隙、钛空位、氧间隙、氧空位4种本征缺陷的扩散特征进行了研究.对比4种本征缺陷在晶格内部沿不同扩散路径的过渡态势垒后发现,缺陷扩散过程呈现出明显的各向异性.其中,钛间隙和氧间隙沿[001]方向具有最小的扩散势垒路径,激活能分别为0.505 eV和0.859 eV;氧空位和钛空位的势垒最小的扩散路径分别沿[110]方向和[111]方向,激活能分别为0.735 eV和2.375 eV.     

金红石型二氧化钒的电子结构及光电性质的计算

采用原子簇嵌入模式的电荷自洽离散变分法(SCC-DV-Xα-ECM),对金红石型二氧化钒(VO₂)的电子结构、介电常数、吸收系数、折射率、电导率等光电性质进行计算.得到O的2p能态与V的3d能态杂化形成一个宽带,费米能级在此带内上部.在费米能级下的能级上都占据有电子,此带中有大量电子都可参与导电,因此金红石型VO₂呈现金属性质.介电常数虚部随入射光频率的变化,反映了在0.8 eV能量附近,电子激发以带内跃迁为主,在5~7 eV能量范围,电子激发以带间跃迁为主.折射率和消光系数与已报道的实验结果符合得比较好.并将所得结果与CASTEP软件计算结果对比及分析讨论.     

Magnli相亚氧化钛Ti8O15的电子结构和光学性能的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势法研究了Magneli相亚氧化钛Ti8O15的电子结构和光学性能.计算出的能带结构显示Ti₈O₁₅相比锐钛型TiO₂禁带宽度大幅度降低.态密度分析表明,其原因在于Ti₈O₁₅的O原子的2p轨道以及Ti原子的3p,3d轨道相对于TiO₂的相应轨道向左产生了偏移,同时由于O原子的缺失使得Ti原子的3d,3p轨道多余电子在Fermi能级附近聚集形成新的电子能级.态密度分析结果还显示,相对于TiO₂,Ti₈O₁₅Fermi能级附近电子格局发生了如下变化:O原子的2p轨道电子贡献减少,Ti原子的3d轨道的电子对Fermi能级贡献增大.光吸收计算图谱表明,TiO₂仅在紫外光区有较高的光吸收能力,而Ti₈O₁₅由于禁带宽度变窄引起光吸收范围红移到可见光区,从而在紫外光区和可见光区都有较高的光吸收能力,计算结果与实验得到的紫外-可见漫反射吸收光谱结果一致.     

Zn吸附到含有氧空位(VO)以及羟基(-OH)的锐钛矿相TiO2(101)表面电子结构的第一性原理计算

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Zn吸附到TiO₂(101)清洁表面、含有氧空位(V_O)的缺陷表面以及既含有氧空位(V_O)又含有羟基(-OH)表面的能量、Mulliken重叠布居数以及电子结构, 并找到了Zn在每种表面的最稳定结构(分别为模型(c), 模型(aI)以及模型(aII)). 通过对三种表面稳定结构的分析、对比发现: 首先, Zn原子吸附到清洁TiO₂(101)表面上, 主要与表面氧相互作用, 形成Zn–O共价键; 其次, 当Zn原子吸附到缺陷表面时, 吸附能减小到-1.75 eV, 说明Zn更容易吸附到氧空位上(模型(aI)); 最后, 纵观表面模型的能带结构以及态密度图发现, -OH的引入并没有引进新的杂质能级, Zn吸附此表面, 即Zn-TiO₂-V_O-OH, 使得禁带宽度缩短到最小(1.85 eV), 从而有望提高TiO₂的光催化活性. 关键词： 密度泛函理论 氧空位 羟基 Zn原子     

The electronic structures of epitaxial CrSi2 film prepared on Si(111) substrate

The valence band (VB) electronic structures of CrSi₂ were studied by synchrotron radiation photoemission. Overall features of the VB photoemission spectra measured at room temperature (RT) and 20 K by using synchrotron radiation (photon energy, hν=20–120 eV) were similar. Two characteristic emissions were observed corresponding to the bonding and the nonbonding Cr-d partial density of states (PDOS) in the CrSi₂. The onset of the VB photoemission measured at 20 K was located at about 0.32 eV below Fermi level, due to the energy band gap of CrSi₂ more than 0.32 eV.