C-Mg掺杂GaN电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论第一性原理的方法,计算了GaN、C单掺、Mg单掺和C-Mg共掺体系的电子结构和光学性质,计算结果表明:掺杂后,GaN体系的晶格发生畸变,有利于光生空穴-电子对的分离,C-Mg共掺体系结构最稳定,掺杂体系的禁带宽度均减小,其中C-Mg共掺体系的禁带宽度最小,在禁带中引入了杂质能级,说明掺杂可有效降低电子跃迁所需的能量.在光学性质方面,掺杂后,GaN在低能区介电峰和吸收峰均发生红移,且静介电常数增大;其中C-Mg共掺体系的对可见光的吸收最强,极化能力最强,因此C-Mg共掺将有望提高GaN在光催化性能和极化能力.     

Mn掺杂GaN电子结构和光学性质研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法计算不同Mn浓度掺杂GaN晶体的电子结构和光学性质.计算结果表明Mn掺杂GaN使得Mn 3d与N 2p轨道杂化,产生自旋极化杂质带,材料表现为半金属性,非常适于自旋注入,说明该种材料是实现自旋电子器件的理想材料,折射率在带隙处出现峰值,紫外区光吸收系数随Mn浓度的增加而增大. 关键词： Mn掺杂GaN 第一性原理 电子结构 光学性质     

镍掺杂硅纳米线电子结构和光学性质的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理计算,对镍掺杂硅纳米线的结构稳定性、电子与光学性质进行了研究.结果表明:Ni容易占据硅纳米线表面的替代位置.镍掺杂后的硅纳米线引入了杂质能级,杂质能级主要来源于Ni的3d电子的贡献.由于Ni的3d态和Si的3p态的耦合作用,使禁带宽度变窄.掺杂后的硅纳米线在低能区出现了一个较强的吸收峰,且吸收带出现宽化现象. 关键词： 硅纳米线 掺杂 电子结构 光学性质     

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.     

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.     

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.     

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.     

Ag-Cr共掺LiZnP新型稀磁半导体的光电性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法,对纯Li Zn P, Ag/Cr单掺和Ag-Cr共掺Li Zn P新型稀磁半导体进行了结构优化,计算并分析了掺杂体系的电子结构、磁性、形成能、差分电荷密度和光学性质.结果表明:非磁性元素Ag单掺后,材料表现为金属顺磁性;磁性元素Cr单掺后, sp-d杂化使态密度峰出现劈裂,体系变成金属铁磁性;而Ag-Cr共掺后,其性质与Ag和Cr单掺完全不同,变为半金属铁磁性,带隙值略微减小,导电能力增强,同时形成能降低,原子间的相互作用和键强度增强,晶胞的稳定性增强.通过比较光学性质发现,掺杂体系的介电函数虚部和光吸收谱在低能区均出现新的峰值,且当Ag-Cr共掺时介电峰峰值最高,同时复折射率函数在低能区发生明显变化,吸收边向低能方向延展,体系对低频电磁波吸收加强.     

过渡金属与氮共掺杂ZnO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框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,结合广义梯度近似(GGA)研究了过渡族金属(Mn,Fe,Co,Cu)与N共掺杂ZnO的能带结构、电子态密度分布、差分电荷密度和光学性质.计算表明Mn，Fe，Co与N共掺ZnO的光学性质与Mn，Fe，Co单掺杂相近，但是过渡族金属与N共掺杂有利于获得p型ZnO. 关键词： ZnO 第一性原理 电子结构 光学性质     

3d过渡金属掺杂锐钛矿相TiO2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方法研究了纯锐钛矿相TiO₂及掺杂3d过渡金属TiO₂的几何、电子结构及光学性质. 计算结果表明掺杂能级的形成主要是掺杂过渡金属3d轨道的贡献，掺杂能级在禁带中的位置是决定TiO₂吸收带边能否出现红移的重要因素. Cr，Mn，Fe，Ni，Co，Cu掺杂使TiO₂的吸收带边产生红移，并在可见光区有一定的吸收系数； Sc，Zn掺杂使TiO₂的吸收带边产生蓝移，但在可见光区有较大的吸收系数；掺V不但使TiO₂的吸收带边产生红移，增强了在紫外光区的光吸收，而且在可见光区有非常大的吸收系数.     

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.     

Cu,Fe掺杂LiNbO_3晶体电子结构和光学性质的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理对Cu,Fe单掺及共掺LiNbO_3晶体的电子结构和光学性质进行了计算.结果显示:Cu,Fe单掺杂LiNbO_3晶体禁带内均产生了杂质能级,主要由Cu3d,Fe3d轨道及O 2p轨道贡献;共掺LiNbO_3晶体禁带内出现了双能级结构,深能级由Cu3d和O2p轨道贡献,浅能级由Fe3d和O2p轨道贡献.Cu,Fe单掺和共掺LiNbO_3晶体带隙依次缩小,在可见光区的光吸收明显增强.共掺LiNbO_3在445和630nm左右分别表现出一个宽吸收峰,比单掺LiNbO_3晶体表现出更好的光吸收性质.研究表明,Fe占Nb位比Fe占Li位的双掺样品在双光存储应用中更有优势;同时,浓度比[Fe2+]/[Fe3+]值的适当降低有助于这种优势的形成.     

过渡金属掺杂锐钛矿TiO_2(101)表面的改性

采用密度泛函理论的平面波超软赝势方法,对过渡金属Fe,Ni,Pd,Pt,Cu,Ag和Au的中性原子在锐钛矿TiO_2(101)面上的掺杂改性开展了系统深入的理论研究.通过比较分析锐钛矿TiO_2(101)面掺杂前后的几何结构、电子结构和光学性质等,揭示了宏观催化活性与电子结构、光电子特性之间的关联.结果表明:过渡金属掺杂能减小禁带宽度或引入杂质能级,从而提高TiO_2(101)面的可见光响应;杂质能级通常位于禁带内,这主要是由过渡金属原子的d电子态贡献形成的;不同过渡金属掺杂的TiO_2(101)面具有不同的光催化性能,这与掺杂后的禁带宽度、费米能级位置、杂质能级的形成位置以及过渡金属原子的最外层电子排布等有关.本研究为TiO_2光催化剂结构设计与改性提供了指导性参考,并有利于加深人们对其他材料的过渡金属掺杂的理解.     

Fe和Ni共掺杂ZnO的电子结构和光学性质

基于密度泛函理论的第一性原理研究Fe,Ni单掺杂和(Fe,Ni)共掺杂纤锌矿型ZnO的能带结构、电子态密度分布、介电函数、光学吸收系数,分析了掺杂后电子结构与光学性质的变化.计算结果表明：掺杂体系的费米能级附近电子态密度主要来源于Fe 3d,Ni 3d态电子的贡献;与纯净ZnO相比,Fe,Ni单掺杂和(Fe,Ni)共掺杂ZnO的介电函数虚部均在0.46eV左右出现了一个新峰;Fe,Ni单掺杂和共掺杂ZnO的吸收光谱均发生明显的红移,并都在1.3eV处出现较强吸收峰.结合他人的计算和实验结果,给出了定性的讨 关键词： 氧化锌 掺杂 第一性原理 光学性质     

过渡金属与碳共掺ZnO磁光学性质的第一性原理研究

采用密度泛函理论第一性原理超软赝势的方法,计算了过渡金属与C共掺杂ZnO的磁学和光学性质. 计算结果表明,共掺杂均导致费米能级发生移动,掺杂体系共价性强弱发生变化,且共掺杂更有利于高居里温度铁磁性半导体的实现;为了进一步分析掺杂体系的磁学性质,研究了其铁磁态与反铁磁态的能量差、空间电荷和自旋密度分布．各种类型掺杂体系在高能区的光学性质与纯净ZnO几乎一致,而在低能区却存在较大差异,结合电子结构定性解释了光学性质的变化.     

C掺杂AlN的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(DFT)的平面波超软赝势法,研究了C掺杂铅锌矿AlN的电子结构、磁性和光学性质.结果表明,C掺杂AlN产生了自旋极化,在带隙中引入杂质带形成受主能级,实现p型掺杂,同时表现出较强的半金属铁磁性,半金属能隙为0.315eV,理论上可实现100%的自旋载流子注入.掺杂后体系的介电函数虚部和光吸收系数在低能区出现新的峰值,吸收边向低能方向延展,能量损失明显减少.     

稀土元素(Ce,Pr)掺杂GaN的电子结构和光学性质的理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法计算了稀土元素Ce,Pr掺杂GaN的晶格参数、能带、电子态密度和光学性质,使用LSDA +U的方法处理具有强关联作用的稀土4f态,并分析比较计算结果.计算表明:掺入Ce和Pr后的体系相比未掺杂的GaN晶格常数增大,带隙变窄,并分别在禁带中和价带顶附近引入了局域的杂质能级,该能级主要由Ce和Pr的4f电子提供;掺杂后都发生了磁有序化并产生磁矩;最后定性分析了掺杂前后介电函数和光吸收系数的变化,掺Ce的体系在介电函数和吸收系数的低能区出现了峰值,该峰的出现和禁带中的杂质能级到导带底的跃迁有关,而掺Pr的体系由于带隙变窄使介电峰和吸收边发生红移.     

C掺杂AlN的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(DFT)的平面波超软赝势法,研究了C掺杂铅锌矿AlN的电子结构、磁性和光学性质.结果表明,C掺杂AlN产生了自旋极化,在带隙中引入杂质带形成受主能级,实现p型掺杂,同时表现出较强的半金属铁磁性,半金属能隙为0.315eV,理论上可实现100%的自旋载流子注入.掺杂后体系的介电函数虚部和光吸收系数在低能区出现新的峰值,吸收边向低能方向延展,能量损失明显减少.     

C掺杂AlN的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(DFT)的平面波超软赝势法,研究了C掺杂铅锌矿AlN的电子结构、磁性和光学性质.结果表明,C掺杂AlN产生了自旋极化,在带隙中引入杂质带形成受主能级,实现p型掺杂,同时表现出较强的半金属铁磁性,半金属能隙为0.315eV,理论上可实现100%的自旋载流子注入.掺杂后体系的介电函数虚部和光吸收系数在低能区出现新的峰值,吸收边向低能方向延展,能量损失明显减少.     

GGA+U方法研究C-Al掺杂GaN的电子结构和光学性质

本文用密度泛函理论的第一性原理，研究了C单掺、Al单掺、C-Al共掺GaN体系的电子结构及光学性质.通过分析发现，与本征GaN相比，掺杂后体系都发生了晶格畸变，其中C-Al共掺GaN体系，较容易形成且禁带宽度明显减小，形成了P型半导体，显著降低了电子跃迁所需要的能量；另外，该共掺体系的静介电常数最大，极化能力最强，介电虚部的主峰向低能区域偏移，并且吸收光谱在可见光范围内产生了红移现象，这都体现了C-Al共掺可以拓展GaN体系对可见光的响应范围.因此，C-Al共掺将有望提高GaN体系的光催化性能.