第一性原理研究厚度和空位缺陷对Si/SiO2界面电子结构与光学性质的影响

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,在局域密度近似（LDA）下研究了Si纳米层厚度和O空位缺陷对Si/SiO2界面电子结构及光学性质的影响．电子结构计算结果表明：在0.815~2.580nm的Si层厚度范围内,Si/SiO2界面结构的能隙随着厚度减小而逐渐增大,表现出明显的量子尺寸效应,这与实验以及其他理论计算结果一致;三种不同的O空位缺陷的存在均使得Si/SiO2界面能隙中出现了缺陷态,费米能级向高能量方向移动,且带隙有微弱增加．光学性质计算结果表明：随着Si纳米层厚度的减小,Si/SiO2界面吸收系数产生了蓝移;O空位缺陷引入后,界面光学性质的变化主要集中在低能区,即低能区的吸收系数和光电导率显著增加．可见,改变厚度和引入缺陷能够有效地调控Si/SiO2界面体系的电子和光学性质,上述研究结果为Si/SiO2界面材料的设计与应用提供了一定的理论依据．     

掺杂Si/SiO_2界面电子结构与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方法,在局域密度近似(LDA)下研究了B掺杂Si/SiO_2界面及其在压强作用下的电子结构和光学性质.能带的计算结果表明:掺杂前后Si/SiO_2界面均属于直隙半导体材料,但掺B后界面带隙由0. 74 eV减小为0. 57 eV,说明掺B使材料的金属性增强;对B掺杂Si/SiO_2界面施加正压强,发现随着压强不断增大,Si/SiO_2界面的带隙呈现了逐渐减小的趋势,并且由直隙逐渐转变为间隙.光学性质的计算结果表明:掺B对Si/SiO_2界面在低能区(即红外区)的介电函数虚部、吸收系数、折射率以及反射率等光学参数有显著影响,且在红外区出现新的吸收峰;对B掺杂Si/SiO_2界面施加正压强,随着压强增大,红外区的吸收峰逐渐消失,而在紫外区出现了吸收峰.上述结果表明,对Si/SiO_2界面掺B及施加正压强均可调控Si/SiO_2界面的电子结构与光学性质.本文的研究为基于Si/SiO_2界面的光电器件研究与设计提供一定的理论参考.     

Sc掺杂正交相Ca2Si电子结构及光学性质的第一性原理

采用基于第一性原理的密度泛函理论(DFT)赝势平面波方法,对块体及掺Sc的正交相Ca2Si的电子结构和光学性质进行了系统计算.计算结果表明,掺Sc后的Ca2Si能带向低能端偏移,形成n型半导体,正交相结构能隙变为0.6084eV,相比块体Ca2Si带隙加宽了一倍,但仍为直接带隙半导体.Ca2Si掺杂Sc后,正交相导带主要是Ca的4s、3d态和Sc的3d、3p态电子构成,静态介电常数变大,折射率也变大,吸收系数相比块体在低能段基本无变化,在高能段虽吸收系数减小,但仍保持105数量级且大于β-FeSi2的吸收系数,说明Ca2Si在太阳能电池上具有较好的应用前景.通过掺杂有效调制了Ca2Si的电子结构和光学性质,计算结果为Ca2Si光电材料的设计与应用提供了理论依据.     

点缺陷对单层MoS_2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Mo S2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Mo S2属于直接带隙半导体,禁带宽度为1.749e V,Mo空位缺陷V-Mo的存在使得单层Mo S2转化为间接带隙Eg=0.660e V的p型半导体,S空位缺陷V-S使得Mo S2带隙变窄为Eg=0.985e V半导体,S原子替换Mo原子S-Mo反位缺陷的存在使得Mo S2转化为带隙Eg=0.374e V半导体;Mo原子替换S原子Mo-S反位缺陷形成Eg=0.118e V直接带隙半导体.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Mo S2的光学性质影响最为显著,可以增大Mo S2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.     

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。     

氧化硅层厚度对Si/SiO2界面电子态结构与光学性质的影响

在氧化硅上生长纳米硅晶,保持氧化硅的直接带隙结构,降低其能带带隙,以用于发光和光伏。采用基于密度泛函理论的第一性原理研究了块体α-方石英、薄膜α-方石英、Si/SiO₂界面的电子态结构和Si/SiO₂界面的光学性质。结果显示,其均为直接带隙半导体,当薄膜α-方石英厚度和Si/SiO₂界面氧化硅层厚度逐渐减小时,能带带隙均逐渐变大,表现出明显的量子限制效应。光学性质计算结果表明：Si/SiO₂界面虚部介电峰和吸收峰的峰值随氧化硅层厚度降低而显著升高,且峰位向高能量方向蓝移。使用脉冲激光沉积制备了氧化硅上硅晶薄膜,测量了Si/SiO₂界面样品的PL光谱,在670 nm处存在一个强的发光峰,在波长超过830 nm后,Si/SiO₂界面样品的发光强度不断升高。因此,可以通过控制Si/SiO₂界面氧化硅层厚度有效地调控Si/SiO₂界面的电子态结构和光学性质,引进边缘电子态,调控其带隙进入1～2 eV区间,获取硅基发光材料...     

石墨烯/BiOI纳米复合物电子结构和光学性质的第一性原理模拟计算

光催化材料在解决能源短缺和环境污染等问题方面具有广泛的应用前景,本文通过构建BiOI纳米薄膜并将其与石墨烯复合起来,得到具有较高的比表面积和良好的光催化活性的纳米复合物光催化材料.采用基于密度泛函理论的第一性原理方法分别计算了单层和双层BiOI纳米片及其与石墨烯复合结构的电子结构和光学性质,并考虑了BiOI中的Bi,O,I三种空位缺陷对电子结构和光学特性的影响.计算结果表明,由于BiOI和石墨烯之间的相互作用,在石墨烯和BiOI界面处自发发生电荷转移,形成电子-空穴对,且石墨烯衬底可有效提高BiOI对可见光的光吸收,提高其光催化活性.对空位缺陷的计算表明,Bi空位缺陷可促进石墨烯和BiOI之间的电荷转移,形成更多的层间电子-空穴对;相反,O和I空位缺陷则抑制层间电荷转移,减少电子-空穴对的生成.     

BaHfO3纳米薄膜电子结构、光学和弹性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方法,在局域密度近似（LDA）下研究了厚度为0.626～2.711nm (100)面BaHfO3薄膜的电子结构、光学和弹性性质．电子结构和光学性质计算结果表明：以BaO为表面层原子的BaHfO3纳米薄膜均为直接带隙半导体材料,带隙随薄膜厚度减小而逐渐减小,表现出明显的量子尺寸效应,此时薄膜的光学吸收边发生红移,吸收带出现窄化现象．以HfO2作为表面层原子的BaHfO3薄膜则属于间接带隙半导体材料,且带隙随薄膜厚度减小而微弱增加．弹性性质计算结果表明：体弹模量、剪切模量和杨氏模量等表征材料硬度的力学参数均随BaHfO3纳米薄膜厚度减小而显著减小,呈现尺寸效应．电荷密度分布分析揭示了薄膜厚度改变了BaHfO3纳米薄膜的价健特性,这是材料硬度改变的内在原因．该研究结果为BaHfO3纳米薄膜材料的设计与应用提供了理论依据．     

（110）应变对立方相Ca2Si能带结构及光学性质的影响

采用第一性原理贋势平面波方法对(110)应变下立方相Ca2P0.25Si0.75的能带结构及光学性质进行模拟计算,全面分析了应变对Ca2P0.25Si0.75能带结构、光学性质的影响。计算结果表明：在92%~100%压应变范围内随着应变的逐渐增大导带向低能方向移动,价带向高能方向移动,带隙呈线性逐渐减小,但始终为直接带隙;在100%~102%张应变范围内随着应变的增加,带隙呈逐渐增大,应变达到102%直接带隙最大Eg=0.54378eV;在102%~104%应变范围内随着应变的增加,带隙逐渐减小;当应变大于104%带隙变为间接带隙且带隙随着应变增大而减小。施加应变Ca2P0.25Si0.75的介电常数、折射率均增大;施加压应变吸收系数增加,反射率减小;施加张应变吸收系数减小,反射率增加。综上所述,应变可以改变Ca2P0.25Si0.75的电子结构和光学常数,是调节Ca2P0.25Si0.75光电传输性能的有效手段。     

（110）应变对立方相Ca2Si能带结构及光学性质的影响

采用第一性原理贋势平面波方法对(110)应变下立方相Ca2P0.25Si0.75的能带结构及光学性质进行模拟计算,全面分析了应变对Ca2P0.25Si0.75能带结构、光学性质的影响。计算结果表明：在92%~100%压应变范围内随着应变的逐渐增大导带向低能方向移动,价带向高能方向移动,带隙呈线性逐渐减小,但始终为直接带隙;在100%~102%张应变范围内随着应变的增加,带隙呈逐渐增大,应变达到102%直接带隙最大Eg=0.54378eV;在102%~104%应变范围内随着应变的增加,带隙逐渐减小;当应变大于104%带隙变为间接带隙且带隙随着应变增大而减小。施加应变Ca2P0.25Si0.75的介电常数、折射率均增大;施加压应变吸收系数增加,反射率减小;施加张应变吸收系数减小,反射率增加。综上所述,应变可以改变Ca2P0.25Si0.75的电子结构和光学常数,是调节Ca2P0.25Si0.75光电传输性能的有效手段。     

非晶SiO_2薄膜中氧双键缺陷电子及光学特性的第一性原理研究

利用第一性原理对离子溅射沉积的非晶SiO2薄膜微观结构进行了分析、研究,结果表明,氧双键缺陷(SGs)可以作为体缺陷稳定存在于非晶SiO2中,SGs缺陷导致非晶SiO2薄膜材料禁带中引入了新的电子态,减小了禁带宽度;同时采用时相关密度泛函理论(TDDFT)对其光学特性进行了研究,得到非晶SiO2薄膜介电常数与入射光子能量间的关系曲线,从介电常数的虚部发现SGs缺陷在3.6eV处存在一个光学吸收峰.     

非晶SiO2薄膜中氧双键缺陷电子及光学特性的第一性原理研究

利用第一性原理对离子溅射沉积的非晶SiO2薄膜微观结构进行了分析、研究,结果表明,氧双键缺陷（SGs）可以作为体缺陷稳定存在于非晶SiO2中,SGs缺陷导致非晶SiO2薄膜材料禁带中引入了新的电子态,减小了禁带宽度;同时采用时相关密度泛函理论（TDDFT）对其光学特性进行了研究,得到非晶SiO2薄膜介电常数与入射光子能量间的关系曲线,从介电常数的虚部发现SGs缺陷在3.6eV处存在一个光学吸收峰。     

硼氮掺杂对立方PbTiO3电子结构和光学性质影响的第一性原理研究

钛酸铅(PTO)因具有优异的铁电、压电特性及光学性质而备受关注.但B、N掺杂对顺电相PTO电子结构和光学性质的影响还不明确,因此,利用第一性原理对立方PTO开展准确的性质预测尤为必要.本文采用广义梯度近似的PBE泛函(GGA-PBE)和杂化泛函(HSE06)研究了B、N替位掺杂(B_O、N_O)和O空位(V_O)对PTO的基态性质、电子结构和光学性质的影响.研究表明：贫氧态的PTO比富氧态更容易形成杂质缺陷,且N_O缺陷最难形成.当B_O、N_O缺陷存在时,PTO的价带顶和导带底向低能量方向移动,在两者之间出现杂质能级,使其导电性能提高且含B_O的PTO为间接带隙半导体,而含N_O的PTO为直接带隙半导体. N_O体系在波长大约为230 nm处有最大吸收峰,该峰主要源于O 2p和Ti 3d之间的电子跃迁,且N_O体系对可见光的吸收能力最强,有望提高PTO的光催化能力.     

闪锌矿结构AlSb空位缺陷性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)第一性原理的平面波超软赝势方法,计算含有锑空位和铝空位的AlSb电子结构,发现空位引起周围原子弛豫,晶体结构发生畸变.在此基础上研究了空位缺陷对闪锌矿型AlSb体系电子结构的影响,结果表明,铝空位缺陷使锑化铝费米能级降低,带隙变窄;而锑空位缺陷则使锑化铝费米能级升高,带隙变窄,同时,锑化铝的半导体类型由p型变为n型.对光学性质的研究发现,由于空位的引入使其邻近原子电子结构发生变化,使得空位缺陷系统光学性质的变化主要集中在低能量区域.     

闪锌矿结构AlSb空位缺陷性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)第一性原理的平面波超软赝势方法，计算含有锑空位和铝空位的电子结构，发现空位引起周围原子弛豫，晶体结构发生畸变。在此基础上研究了空位缺陷对闪锌矿型AlSb体系电子结构的影响，结果表明，铝空位缺陷使锑化铝费米能级降低，带隙变窄；而锑空位缺陷则使锑化铝费米能级升高，带隙变窄，同时，锑化铝的半导体类型由p型变为n型。对光学性质的研究发现，由于空位的引入使其邻近原子电子结构发生变化，使得空位缺陷系统光学性质的变化主要集中在低能量区域。     

Effect of point defects on electronic and magnetic properties of single-layer SiO

Based on spin-polarised density functional theory calculations, we investigated the effect of point defects on electronic and magnetic properties of the single-layer (SL) asymmetric washboard silicon oxide (aw-SiO). The SL-aw-SiO is a counterpart of black phosphorene, and a new candidate of two-dimensional material family. This structure is dynamically and thermally stable and is a nonmagnetic semiconductor with a direct band gap. We found that single vacancy and divacancy give rise to significant change in the electronic and magnetic properties of SL-aw-SiO. The band gap of aw-SiO can be tuned by the substitution of Si atom instead of O atom, the antisite defect, the O atom vacancy and two atom vacancies. In addition, impurity states due to the defects can occur in the band continua and hence the band gap of aw-SiO is reduced. Having an integer magnetic moment, SL-aw-SiO upon Si vacancy and by substitution of O atom instead of Si atom may display half-metallic features.