Sc与C掺杂MgS电子结构与光学性质的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法,对Sc、C单掺以及共掺MgS体系的稳定性、电子结构和光学性质进行了研究,结果表明：与本征MgS体系相比,掺杂后体系的结合能仍为负值,表明掺杂体系均处于稳定状态,其中Sc-C共掺MgS体系的结合能最小,说明Sc-C共掺体系最稳定。掺杂后体系的禁带宽度均减小,表明电子由价带跃迁至导带的能量减小;此外,掺杂体系在低能区均发生了明显的红移现象,表明Sc、C掺杂能够有效的拓宽体系对可见光的响应范围。其中,Sc-C-MgS体系在费米能级附近产生了杂质能级且带隙宽度较小,在可见光范围内的吸收系数最优,可推测Sc-C共掺杂可作为提高MgS体系光催化活性的有效手段。     

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.     

Cu与非金属双受主能级协同作用对TiO2光学特性的影响

采用基于密度泛函理论（DFT）体系下的第一性原理平面波超软赝势方法,研究纯锐钛矿相TiO₂在3d金属杂质Cu与非金属杂质C、N、F单掺及共掺情况下受主能级的协同作用.模拟计算掺杂前后的晶体结构、结合能、缺陷形成能、能带结构、分态密度及光学性质.结果发现：Cu-N共掺杂体系和Cu、N单掺杂体系对可见光的利用比其它体系好.Cu-N共掺体系与Cu、N分别单掺体系相比,有更小的禁带宽度,且浅受主能级上出现了更大的态密度分布.对光学性质的研究发现,Cu-N共掺体系有最高的吸收系数和反射率,因此,该体系对可见光的利用效果最好.其原因是Cu与N元素分别产生受主能级协同作用导致对可见光的响应效果最理想.     

Al-N共掺杂ZnO电子结构和光学性质

基于密度泛函理论的第一性原理,分析了Al-N共掺杂ZnO的电子结构和光学性质。计算了Al-N复合体共掺ZnO的结合能,发现Al-N复合体可以在ZnO中稳定存在,因此Al-N共掺可以提高N在ZnO的固溶度。研究表明:N掺杂ZnO体系,由于N-2p和Zn-3d态电子轨道杂化作用,在费米能级附近引入深受主能级,价带顶和导带底发生位移,导致禁带宽带变窄。而Al-N共掺杂体系,适当控制Al和N的比例,克服了N单掺杂时受主间的相互排斥,降低了受主能级,对改善ZnO的p型掺杂有重要意义。在Al-N共掺ZnO中,Al的引入,导致共掺体系的禁带宽度减小,吸收带边红移,实验现象证实了这一结果。     

V-N共掺纤锌矿ZnO光催化性质的第一性原理研究

基于第一性原理的密度泛函理论对V, N单掺杂和V-N共掺杂ZnO的电子结构和光学性质进行了对比研究. 结果表明:三种掺杂均在可见光区域出现光吸收增强的现象, 其中V-N共掺最为明显; 结合能的计算发现V-N共掺的ZnO体系相对V, N单掺而言结构更稳定, 因此V-N共掺的ZnO是一种稳定而有效的光催化剂. 进一步研究表明, 阴-阳离子共掺的形式可以很好地应用于光电化学领域, 并可以制备出高性能稳定的短波光电材料. 关键词： 基于ZnO的光催化剂 电子结构 光催化性质     

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.     

Cu-X(X=B, Al, Ga, In)共掺杂对ZnS可见光吸收的影响

ZnS能够用于光解水制氢,但是由于ZnS带隙较宽在一定程度上制约了可见光的吸收。为了减小闪锌矿ZnS的带隙宽度,增加对可见光的吸收,采用密度泛函理论研究了Cu-X(X=B, Al, Ga, In)共掺杂对ZnS电子结构和可见光吸收的影响。计算结果表明Cu-X(X=B, Al, Ga, In)共掺杂ZnS的结合能都是负值,都属于稳定结构;掺杂使得闪锌矿ZnS的带隙宽度由2.9eV分别减小到2.68eV、2.41 eV、2.18 eV、1.82 eV,导致了吸收谱和光导产生红移,有利于可见光的吸收;掺杂后导带底向低能级方向移动,同时在禁带中产生p-d杂化能级,导致了带隙宽度减小,有利于可见光的吸收和阻止光生载流子的复合;最后掺杂ZnS的带边位置满足水解制氢的条件,可用于制造光催化剂。综上所述Cu-X(X=B, Al, Ga, In)共掺杂ZnS有利于可见光的吸收。     

La-Ce共掺杂锐钛矿TiO2的缺陷形成能和电子结构分析

采用基于密度泛函的第一性原理研究了稀土元素La、Ce共掺杂锐钛矿相TiO₂的缺陷形成能,缺陷电荷转变能级以及电子结构.研究发现,富氧状态下La、Ce掺杂以及La-Ce共掺的缺陷形成能均为负值,而贫氧状态下La、Ce掺杂形成能为正,表明La、Ce的掺杂TiO₂只能在氧气氛制备条件下进行;替代Ti掺杂缺陷电荷转变能级计算结果表明:0/1-的缺陷电荷转变能级分别位于VBM上面0.522 eV及2.440 eV处;与纯锐钛矿相TiO₂相比,La、Ce单掺杂以及La-Ce共掺杂均能减小TiO₂的禁带宽度,但共掺杂体系的禁带宽度更窄,因此共掺杂体系将更有利于提高TiO₂对可见光的响应能力和光催化性能.     

第一性原理研究Te-N共掺p型ZnO

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势法对Te-N共掺杂ZnO体系的晶格结构、 杂质态密度和电子结构进行了理论分析.研究表明, N掺杂引起晶格收缩,而Te的掺入引起晶格膨胀, 从而减小晶格应力促进N的掺杂,并且Te由于电负性小于O而带正电, Te在ZnO中作为等电子施主而存在.研究发现, N掺杂体系中在费米能级附件形成窄的深受主能级, 而Te-N共掺体系中, N杂质带变宽,空穴更加离域,同时,空穴有效质量变小,受主能级变浅, 更有利于实现p型特性.因此, Te-N共掺有望成为一种更为有效的p型掺杂手段.     

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.     

第一性原理研究Eu/N共掺杂锐钛矿TiO2光催化剂的电子和光学性质

基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法, 运用Vasp方法计算了Eu, N掺杂及Eu/N共掺杂锐钛矿TiO₂的结构, 并分析了其电子及光学性质. 通过计算发现有一些Eu的4f态电子在Eu掺杂锐钛矿TiO₂的体系的费米能级附近出现杂质能级, 并且N掺杂会使得锐钛矿TiO₂的禁带宽度减小. 对于共掺杂体系而言, Eu/N共掺杂的协同效应能导致锐钛矿TiO₂的晶格畸变及禁带宽度减小. 与此同时, 计算得到的光吸收谱表明Eu/N混合掺杂锐钛矿TiO₂展现出了明显的光谱吸收边缘红移. 这些计算结果表明Eu/N共掺杂锐钛矿TiO₂具有优良的光催化活性. 关键词： 2')" href="#">TiO₂ 共掺杂 可见光催化剂 密度泛函理论     

Pt-N共掺杂闪锌矿ZnS光催化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Pt、N单掺杂及Pt-N不同位置共掺杂闪锌矿ZnS的晶型结构、电荷布局、电子结构以及光学性质.计算结果表明,Pt单掺杂后晶格体积增大,N单掺杂后的晶格体积减小,Pt-N共掺杂时的相对位置不同,晶格参数及电荷布局均存在差异,从而对体系的畸变产生不同影响.形成能计算表明Pt、N非邻位共掺杂相对于邻位共掺杂体系更易实现.电子结构计算结果表明,Pt掺杂ZnS后使材料表现出了一定的金属属性;共掺杂体系中,随着Pt-N距离的增大,N-2p轨道与Zn-3d在价带深能级的局域化作用减弱,价带部分的N-2p轨道逐渐聚集于费米能级附近形成杂质能级,有助于光生电子的跃迁,提高光催化效率.光学性质计算结果表明,共掺杂Pt-N间距离越大,低能区的介电常数虚部ε_2的峰值越大,在可见光区的吸收峰值也越大.     

第一性原理方法研究N-Pr共掺杂ZnO的电子结构和光学性质

作为一种稳定性好、抗辐射能力强、原材料丰富的宽禁带半导体, ZnO在光催化的研究领域中成为热点材料,但是其仅能吸收可见光中的紫光,因此如何扩大ZnO对可见光的响应范围是一个值得研究的问题.掺杂改性是解决这个问题的常用方法.基于以上考量,本文应用第一性原理计算方法研究了N与Pr掺杂对ZnO的电子结构和光学性质的影响.研究结果表明:共掺体系比单掺体系更容易形成,且共掺体系的稳定性随Pr浓度的增加先增强后变弱;同一体系的最短Zn—O键与最长Zn—O键的布居数比例随杂质浓度的增大先增大后减小,说明杂质的掺入对体系的晶格畸变有很大的影响,有利于光生空穴-电子对的分离,从而提高材料的光催化活性. N 2p态与Pr 4f态发生杂化对晶体的完整性产生了破坏,在杂质原子周围形成晶场,造成能级劈裂,带隙减小;介电函数虚部的主峰位均向低能区域移动,吸收光谱中各掺杂体系发生红移,各共掺体系随着杂质原子Pr浓度的增加,在可见光区的响应范围依次扩大,吸收能力也依次增加,说明N与Pr的共掺杂对提高ZnO的光催化性是有利的.     

碳-锌共掺杂锐钛矿相TiO2 电子结构与光学性质的第一性原理研究

近年来的理论和实验研究表明,通过不同离子共掺杂TiO₂是减小其禁带宽度的一种有效方法.本文采用基于第一性原理的平面波超软赝势方法研究了C和Zn共掺杂TiO₂的能带结构、态密度和光学性质.计算结果表明C-Zn共掺杂导致导带相对Fermi能级发生了明显的下降,同时在TiO₂的导带下方与价带上方形成了新的杂质能级,使TiO₂的禁带宽度变小, TiO₂的光学吸收带边产生红移. 杂质能级可以降低光激发产生的电子-空穴对的复合概率, 提高TiO₂的光催化效率. 此外, 掺杂后TiO₂在可见光区的吸收系数有明显增加, 能量损失也明显减小.     

C与Na掺杂AlN电子结构与光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)的平面波超软赝势法，计算了本征AlN,C-AlN,Na-AlN以及C-Na-AlN四种体系的电子结构和光学性质.得出结论：掺杂后各体系与本征AlN相比发生了晶格畸变，C-Na-AlN体系的结合能最小，体系最稳定.掺杂体系相比于本征AlN,禁带宽度都有不同程度的减小，导致电子在体系内跃迁时的概率增大，其中C-Na-AlN体系尤为明显，电子跃迁所需要的能量更小.掺杂后吸收带边发生了红移，拓宽了AlN体系对光的响应范围，增强了光吸收，并且C-Na-AlN体系在可见光区域内光吸收能力最强，在介电函数图的分析中可以得到，C-Na-AlN体系的介电常数最大，表明其电荷束缚能力最强，体系稳定性强，极化能力最好.     

铬,银掺杂和铬氧共掺杂n型,p型氮化硼纳米管第一性原理研究

基于第一性原理的平面波超软赝势法对(6, 0)单壁氮化硼纳米管、Cr掺杂、Ag掺杂、以及Cr-O共掺纳米管进行电子结构和光学性质的计算.结果表明:Cr掺杂和Cr-O共掺体系相比于本征体系的带隙值均减小,掺杂体系的导带底穿过费米能级从而实现了氮化硼纳米管的n型掺杂. Ag掺杂实现了纳米管的p型掺杂.本征氮化硼纳米管、Ag掺杂、Cr掺杂、以及Cr-O共掺纳米管的静态介电常数分别为1.17、1.61、1.32和1.48,相对于本征体系静介电性能有所提高.     

GGA+U方法研究不同浓度镧(La)与氮(N)掺杂纤锌矿ZnO的光学性质

本文运用基于密度泛函理论的GGA+U方法,计算了纯ZnO体系,La、N单掺ZnO体系及Zn_(1-x)La_xO_(0.875)N_(0.125)(x=0.125,0.25,0.375)三个共掺体系的电子结构和光学性质.计算结果表明,共掺体系中随着La浓度的增加,掺杂后体系的禁带宽度变小,电子跃迁所需能量减小,晶格畸变程度增大,有利于阻碍光生空穴和电子对的复合,吸收光谱吸收带边红移程度越来明显,覆盖了整个可见光区域.这些特征非常有利地说明共掺体系随La浓度的增加,其光催化功能和电学性能也在提升.     

基于密度泛函理论下O和Na掺杂单层h-BN的电子结构性质和光学效应的分析

基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了O、Na单掺杂及O和Na共掺杂单层h-BN的形成能、电子结构和光学性质.结果表明:单掺杂体系中,O掺杂N位置、Na掺杂B位置时,掺杂形成能最低;共掺杂体系中,O和Na邻位掺杂,掺杂形成能最低.与单层h-BN相比,引入杂质原子后的体系禁带宽度均减小,其中O掺杂为n型掺杂,Na掺杂为p型掺杂,而O和Na共掺h-BN体系为直接带隙材料,有利于提高载流子的迁移率.在光学性质方面,Na掺杂h-BN体系与O和Na共掺h-BN的静介电常数均增大,在低能区介电虚部和光吸收峰均发生红移,其中Na掺杂体系红移最为显著,极化能力最强.因此Na单掺和O和Na共掺有望增强单层h-BN的光催化能力,可扩展其在催化材料、光电器件等领域的应用.     

Ga掺杂ZnO的电子结构与电性能的研究

采用密度泛函理论广义梯度近似第一性原理计算的方法研究了n型Ga掺杂的纤锌矿结构氧化物ZnO的晶格结构、能带结构和态密度,在此基础上分析了其电性能.计算结果表明,掺杂ZnO氧化物晶格a,b轴增大,c轴略有减小;Ga掺杂ZnO氧化物两能带之间具有0.6eV的直接带隙,需要载流子(电子)跃迁的能隙宽度较未掺杂的ZnO氧化物减小;掺杂体系费米能级附近的态密度大大提高,其能带主要由Gas态、Zns态和Os态电子构成,且他们之间存在着强相互作用,其中Gas态电子对导带贡献最大.电输运性能分析结果表明,Ga掺杂ZnO氧化物导电机构由Znp-Op电子在价带与导带的跃迁转变为Gas-Znd-Os电子在价带与导带的跃迁,这也表明Gas态电子在导电过程中的重要作用;掺杂体系费米能级附近的载流子有效质量较未掺杂体系增大,且价带中的载流子有效质量较大,导带中的载流子有效质量较小.     

C掺杂锐钛矿相TiO2吸收光谱的第一性原理研究

运用第一性原理,对C掺杂锐钛矿相TiO₂的电子结构进行了研究,从能带结构理论解释了C掺杂TiO₂吸收光谱的一些实验现象.发现在C掺杂后的锐钛矿相TiO₂的禁带宽度增大,并且在带隙中出现了杂质能级,这些杂质能级主要是由C 2p轨道上的电子构成的,它们之间是独立的,正是这些独立的杂质能级使TiO₂掺杂后可以发生可见光响应.价带上的电子可以吸收一定能量的光子跃迁到杂质能级,而杂质能级上的电子也可以吸收一定能量的光子跃迁到导带,所以从理论上可以计算出掺杂后的TiO₂在可见光范围内存在两个吸收边,与实验中所得到的现象相一致.