SrTiO3中形成级联能级的理论分析

以Bi和Cu掺杂为例,通过基于密度泛函理论的电子结构的计算,分析了SrTiO₃体系中形成级联能级的可能性.结果表明,Bi掺杂和Cu掺杂都可以在SrTiO₃的禁带中引入杂质能带,Bi和Cu的共同掺杂可引入两条杂质能带.通过在两条杂质能带之间级联激发,价带顶的电子可以受激跃迁到导带底.采用无辐射跃迁的简单模型,分析指出电子通过级联激发从价带顶受激跃迁到导带底的概率远远高于直接从价带顶跃迁到导带底的概率.这种级联激发可以有效提高导带中的载流子浓度. 关键词： 级联能级 密度泛函 掺杂     

Sb,S共掺杂SnO2电子结构的第一性原理分析

基于第一性原理的密度泛函理论和平面波超软赝势法,采用广义梯度近似算法研究了Sb,S两种元素共掺杂SnO₂材料的电子结构与电学性质.电子结构表明：共掺杂后材料仍然为n型导电直接带隙半导体;电荷密度分布改变,S原子与Sn,Sb原子轨道电子重叠加剧.能带结构表明,Sb,S共掺SnO₂在能带中引入新的能级,能带带隙相比于单掺更加窄化,费米能级进入导带表现出类金属特性.电子态密度计算结果进一步证实了电子转移的正确性：在价带中部,S原子轨道与Sn,Sb轨道发生杂化,电子转移加剧,价带顶部被S 3p轨道占据,提供了更多的空穴载流子,价带顶上移;随着S掺杂浓度的增加,带隙宽度继续减小,导带逐渐变窄,导电性能呈现越来越好的趋势.     

M’型GdTaO4电子结构的第一性原理研究

运用基于密度泛函理论的赝势平面波方法计算了M’型GdTaO₄的电子结构.结果表明：M’型GdTaO₄价带顶主要由O-2p电子构成,导带底由Ta-5d的e轨道电子构成;当U_eff=8 eV时,自旋向上和自旋向下的Gd-4f电子分别局域于价带顶以下627 eV和导带底以上301 eV处;计算得到M’型GdTaO₄的折射率为224,与应用半经验的Gladstone-Dale关系得到的结果符合得很好. 关键词： M’型钽酸钆 第一性原理计算 能带 态密度     

铁电体SrBi2Nb2O2电子能带结构的第一性原理研究

采用第一性原理的方法计算了SrBi₂Nb_2O.9（SBN）的顺电相、铁电相的电子结构.顺电相是间接带隙, 铁电相是直接带隙，它们的大小分别为1.57和2.23 eV.顺电相和铁电相的价带顶均主要来自于O₂p态的贡献.而顺电相和铁电相的导带底则分别来自Nb₄d态和Bi₆p态的贡献.计算表明SBN铁电相的低的漏电流与Bi 6p轨道有关.由顺电相到铁电相时，Nb₄d和O_{2 关键词： 顺电相 铁电相 态密度 电子能带结构}     

四元硫化物Cu2Zn(Ti,Zr, Hf)S4:一类新颖光伏材料

采用第一性原理电子结构方法研究了四价过渡金属Ti, Zr和Hf替代Cu₂ZnSnS₄(CZTS)中Sn原子以及Se替代S原子所得到的四元硫族化合物的电子结构、光学性质和晶体结构的稳定性. 实验上用Se替代CZTS中部分S得到的Cu₂ZnSnS_4-xSe_x(CZTSSe)作为光吸收材料, 可以进一步提高光伏效率. 我们计算表明用Se替代S后, CZTSe的价带顶明显下移, 并接近Cu(In, Ga) Se₂ (CIGS)价带顶位置. 与CZTSe的电子结构特征一样, Cu₂Zn(Ti, Zr, Hf)S₄四元硫化物的价带顶与母体材料CZTS相比也向低能移动, 并接近CIGS价带顶位置. 由于高光伏效率要求窗口材料ZnO、缓冲层材料和光吸收材料的价带顶和带隙满足一定的渐进的变化关系, 因此可以预见用Cu₂Zn(Ti, Zr, Hf)S₄作光吸收材料可以有效地提高甚至接近CIGS的光伏效率. 通过计算弹性常数和声子谱, 以及有限温度下第一性原理分子动力学模拟, 发现Cu₂Zn(Ti, Zr, Hf)S₄的结构稳定性与CZTS相近. 进一步计算Cu₂Zn(Ti, Zr, Hf)S₄与不同缓冲层间和窗口材料与缓冲层间的反射系数, 并讨论了ZnSe, In₂S₃, ZnS作为缓冲层材料和TiO₂作为窗口材料对光伏效率可能的影响.     

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.     

Ba0.5Sr0.5TiO3电子结构和光学性质的第一性原理研究

利用第一性原理研究了Ba_0.5Sr_0.5TiO₃的能带结构和光学性质.结果表明,导带和价带都来源于钛原子3d轨道和氧原子2p轨道的杂化.导带主要由钛原子的3d轨道贡献,价带主要由氧原子的2p轨道贡献.吸收系数为10⁵ cm^-1量级,且吸收主要集中在低能区.折射率为n（0）=2.1,结果与实验符合. 关键词： 第一性原理 能带结构 光学性质     

a-Si:H中本征缺陷引起的赝隙态

本文取原子集团模型Si₈H₁₈,Si₁₇及从连续无规网络中挖取的集团模型Si₂₉和Si₄₇,用CNDO LCAO-MO方法计算其电子结构,探讨了a-Si:H中由弱键、弯键和带电组态等本征缺陷引起的赝隙态分布。结果表明,当弱键拉伸时,两个弱键态移动并收缩至带隙中央;过剩电荷使弱键能级移至价带顶或导带底附近;弯键态主要出现在价带顶附近。当弯键曲率较大时,弯键态上移至带隙中央以下的区域。结构拓扑无序导致 关键词：     

PbWO4晶体电子结构的理论计算

采用相对论性的离散变分DV-Xα方法模拟计算了具有复杂晶体结构的PbWO₄晶体的本征能级结构,其价带顶主要由O 2p轨道组成,导带底主要由W 5d轨道构成;Pb 6s电子的绝大部分分布在距价带底～2eV处的窄带中,同时也有少量分布在价带;禁带宽度大约是4.4eV,计算结果与实验数据符合得较好. 关键词：     

Li嵌入对V2O5电子结构及光学性质的影响

采用第一性原理局域密度近似法计算了V₂O₅的电子态密度和能带结构以及Li嵌入后对其电子结构和光学性质的影响。计算结果表明,V₂O₅是间接带隙半导体,Li的嵌入并没有改变其电子的跃迁方式。但Li的嵌入使得V₂O₅导带能量下移,禁带宽度减小,导带中原有的劈裂被分裂的能级填满;同时致使价带出现展宽。电子态密度计算结果表明Li的嵌入对临近的O和V的电子结构有较大的影响。Li2s电子的注入提高了V₂O₅的费米能级并导致其进入导带。由于价带中的电子只能跃迁到费米能级以上的导带空能级,这致使体系实际的光学带隙增大。同时随着Li注入量的进一步增加,价带的展宽更为明显,费米能级亦呈升高的趋势,使得光学带隙随着Li注入量的增加而增大。     

A first-principles study of the electronic structure of the sulvanite compounds

We have investigated by means of first-principles total energy calculations the electronic structure of the sulvanite compounds: Cu₃VS₄, Cu₃NbS₄ and Cu₃TaS₄; the later is a possible candidate as a p-type transparent conductor with potential applications in solar cells and electrochromic devices. The calculated electronic structure shows that these compounds are indirect band gap semiconductors, with the valence band maximum located at the R-point and the conduction band minimum located at the X-point. The character of the valence band maximum is dominated by Cu d-states and the character of the conduction band minimum is due to the d-states of the group five elements. From the calculated charge density and electron localisation function we can conclude that the sulvanite compounds are polar covalent semiconductors.     

层状氧化钼的电子结构、磁和光学性质第一原理研究

按照基于自旋密度泛函理论的赝势平面波第一原理计算方法,理论研究了两种层堆叠结构氧化钼(正交和单斜MoO_3)的电子结构、磁性和光学特性,探讨其作为电致变色材料或电磁材料在光电子器件中的技术应用.采用先进的半局域GGA-PW91和非局域HSE06交换相关泛函精确计算晶体结构和带隙宽度.计算得出较低密排面解离能,表明两种层状氧化钼的单片层很容易从体材料上剥落.能带结构和投影态密度分析表明:导带底和价带顶电子态主要来自于层平面方向成键的原子轨道,呈现典型的二维电子结构特征.无缺陷的MoO_3块体材料具有明显的磁矩,O空位会导致磁矩增加;由Mo原子和顶点氧原子产生的亚铁磁耦合磁矩是MoO_3层状材料磁性的主要来源;层状氧化钼在可见光区具有明显的光吸收响应,光吸收谱表现出显著的各向异性并在带电时发生明显的蓝移或形成新的低频可见光吸收峰.计算结果证明层状氧化钼具有明显的电致变色和磁控性能,为设计高性能电磁或光电子功能材料提供了理论依据和技术数据.     

Two dimensional GeO2/MoSi2N4 van der Waals heterostructures with robust type-II band alignment

Constructing two-dimensional (2D) van der Waals heterostructures (vdWHs) can expand the electronic and optoelectronic applications of 2D semiconductors. However, the work on the 2D vdWHs with robust band alignment is still scarce. Here, we employ a global structure search approach to construct the vdWHs with monolayer MoSi₂N₄ and wide-bandgap GeO₂. The studies show that the GeO₂/MoSi₂N₄ vdWHs have the characteristics of direct structures with the band gap of 0.946 eV and type-II band alignment with GeO₂ and MoSi₂N₄ layers as the conduction band minimum (CBM) and valence band maximum (VBM), respectively. Also, the direct-to-indirect band gap transition can be achieved by applying biaxial strain. In particular, the 2D GeO₂/MoSi₂N₄ vdWHs show a robust type-II band alignment under the effects of biaxial strain, interlayer distance and external electric field. The results provide a route to realize the robust type-II band alignment vdWHs, which is helpful for the implementation of optoelectronic nanodevices with stable characteristics.     

Bandgap narrowing in the layered oxysulfide semiconductor Ba_3Fe_2O_5Cu_2S_2: Role of FeO_2 layer

A new layered Cu-based oxychalcogenide Ba_3Fe_2O_5Cu_2S_2 has been synthesized and its magnetic and electronic properties were revealed. Ba_3Fe_2O_5Cu_2S_2 is built up by alternatively stacking [Cu_2S_2]~(2-) layers and iron perovskite oxide[(FeO_2)(BaO)(FeO_2)]~(2-)layers along the c axis that are separated by barium ions with Fe~(3+) fivefold coordinated by a square-pyramidal arrangement of oxygen. From the bond valence arguments, we inferred that in layered CuC h-based(Ch =S, Se, Te) compounds the +3 cation in perovskite oxide sheet prefers a square pyramidal site, while the lower valence cation prefers the square planar sites. The studies on susceptibility, transport, and optical reflectivity indicate that Ba_3Fe_2O_5Cu_2S_2 is an antiferromagnetic semiconductor with a Ne′el temperature of 121 K and an optical bandgap of 1.03 eV. The measurement of heat capacity from 10 K to room temperature shows no anomaly at 121 K. The Debye temperature is determined to be 113 K. Theoretical calculations indicate that the conduction band minimum is predominantly contributed by O 2p and 3 d states of Fe ions that antiferromagnetically arranged in FeO_2 layers. The Fe 3d states are located at lower energy and result in a narrow bandgap in comparison with that of the isostructural Sr_3Sc_2O_5Cu_2S_2.     

Cuprite, paramelaconite and tenorite films deposited by reactive magnetron sputtering

Copper oxides films (Cu₂O, Cu₄O₃ and CuO) have been deposited by magnetron sputtering of a copper target in various Ar–O₂ reactive mixtures. The films are characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, four-point probe method and UV-Vis spectrometry. The three defined compounds in the Cu---O binary system can be deposited by varying the oxygen flow rate introduced into the reactor. All the films are crystallized with a mean crystal size ranging from 10 to about 35 nm. They are highly resistive and present a direct optical band gap higher than 2 eV. The application of a bias voltage during the deposition phase modifies the texture of the Cu₂O films and also induces a preferential resputtering of oxygen from the Cu₄O₃ ones. This resputtering phenomenon leads firstly to the occurrence of the cuprite phase mixed with the paramelaconite one and secondly to the amorphisation of the films. Finally, the thermal stability in air of cuprite, paramelaconite and tenorite films has been investigated. The results show that the stability of Cu₂O and Cu₄O₃ films in air is influenced by the thickness and/or the texture of the films. Tenorite films with a low optical band gap (1.71 eV) can be formed after air annealing at 350 °C of an unbiased cuprite film.     

多元半导体光伏材料中晶格缺陷的计算预测

半导体光伏材料的发展在过去60多年中表现出了清晰的多元化趋势. 从20世纪50年代的一元Si太阳能电池, 到20世纪60年代的GaAs和CdTe电池、70年代的CuInSe₂电池、80年代的Cu(In, Ga) Se₂、90年代的Cu₂ZnSnS₄电池, 再到最近的Cu₂ZnSn(S, Se)₄和CH₃NH₃PbI₃电池, 组成光伏半导体的元素种类从一元逐渐增多到五元. 元素种类的增多使得半导体物性调控的自由度增多, 物性更加丰富, 因而能满足光伏等器件应用的需要. 但是, 组分元素种类的增多也导致半导体中晶格点缺陷的种类大幅增加, 可能对其光学、电学性质和光伏性能产生显著影响. 近20年来, 第一性原理计算被广泛应用于半导体中晶格点缺陷的理论预测, 相对于间接的实验手段, 第一性原理计算具有更加直接的、明确的优势, 并且能对各种点缺陷进行快速的研究. 对于缺陷种类众多的多元半导体体系, 第一性原理计算能预测各种点缺陷的微观构型、浓度和跃迁(离化)能级位置, 从而揭示其对光电性质的影响, 发现影响器件性能的关键缺陷. 因而, 相关的计算结果对于实验研究有直接、重要的指导意义. 本文将首先介绍半导体点缺陷研究的第一性原理计算模型和计算流程; 然后, 总结近5年来两类新型光伏半导体材料, 类似闪锌矿结构的Cu₂ZnSn(S, Se)₄半导体和有机-无机杂化的钙钛矿结构CH₃NH₃PbI₃半导体的点缺陷性质; 以这两类体系为例, 介绍多元半导体缺陷性质的独特特征及其对太阳能电池器件性能的影响.     

空位缺陷对β-AgVO_3电子结构和光吸收性能的影响

基于密度泛函的第一性原理研究了Ag空位、O空位和Ag-O双空位对β-AgVO_3的电子结构及光学性质的影响.采用广义梯度近似平面波超软赝势GGA+U方法,对不同缺陷体系的形成能、能带结构、电子态密度、差分电荷密度和吸收光谱进行了计算和分析.通过比较不同Ag空位和O空位的形成能,确定了β-AgVO_3中主要形成Ag3空位和O1空位,并且Ag空位较O空位更容易形成.Ag3空位和O1空位的存在都使得β-AgVO_3带隙有一定程度的减小;Ag3空位使β-AgVO_3呈现p-型半导体性质,而O1空位和Ag3-O1双空位使β-AgVO_3呈现n-型半导体性质.Ag3和O1空位对晶体在可见光范围内的光吸收影响较小.     

基于自洽GW方法的碳化硅准粒子能带结构计算

在多体微扰理论的框架下, 分别采用G₀W₀方法和准粒子自洽GW方法计算3C-SiC和2H-SiC的准粒子能级. 由一个平均Monkhorst-Pack网格点上的准粒子能级和准粒子波函数出发, 结合最局域Wannier函数插值, 得到3C-SiC和2H-SiC的自洽准粒子能带结构. 3C-SiC的价带顶在Γ点, 导带底在X点. DFT-LDA, G₀W₀和准粒子自洽GW给出的3C-SiC间接禁带宽度分别为 1.30 eV, 2.23 eV和2.88 eV. 2H-SiC价带顶在Γ 点, 导带底在K点. 采用DFT-LDA, G₀W₀和准粒子自洽GW方法得到的间接禁带宽度分别为2.12 eV, 3.12 eV和 3.75 eV. 计算基于赝势方法, 对于3C-SiC和2H-SiC的准粒子自洽GW计算给出的禁带宽度均比实验值略大.     

二硫化钼/石墨烯异质结的界面结合作用及其对带边电位影响的理论研究

采用基于色散修正的平面波超软赝势方法研究了二硫化钼/石墨烯异质结的界面结合作用及其对电荷分布和带边电位的影响.研究表明二硫化钼与石墨烯之间可以形成范德瓦耳斯力结合的稳定堆叠结构.通过能带结构计算,发现二硫化钼与石墨烯的耦合导致二硫化钼成为n型半导体,石墨烯转变成小带隙的p型体系.并通过电子密度差分图证实了界面内二硫化钼附近聚集负电荷,石墨烯附近聚集正电荷,界面内形成的内建电场可以抑制光生电子-空穴对的复合.石墨烯的引入可以调制二硫化钼的能带,使其导带底上移至-0.31 eV,提高了光生电子还原能力,有利于光催化还原反应.     

Energy band alignment of 2D/3D MoS2/4H-SiC heterostructure modulated by multiple interfacial interactions

The interfacial properties of MoS₂/4H-SiC heterostructures were studied by combining first-principles calculations and X-ray photoelectron spectroscopy. Experimental (theoretical) valence band offsets (VBOs) increase from 1.49 (1.46) to 2.19 (2.36) eV with increasing MoS₂ monolayer (1L) up to 4 layers (4L). A strong interlayer interaction was revealed at 1L MoS₂/SiC interface. Fermi level pinning and totally surface passivation were realized for 4H-SiC (0001) surface. About 0.96e per unit cell transferring forms an electric field from SiC to MoS₂. Then, 1L MoS₂/SiC interface exhibits type I band alignment with the asymmetric conduction band offset (CBO) and VBO. For 2L and 4L MoS₂/SiC, Fermi level was just pinning at the lower MoS₂ 1L. The interaction keeps weak vdW interaction between upper and lower MoS₂ layers. They exhibit the type II band alignments and the enlarged CBOs and VBOs, which is attributed to weak vdW interaction and strong interlayer orbital coupling in the multilayer MoS₂. High efficiency of charge separation will emerge due to the asymmetric band alignment and built-in electric field for all the MoS₂/SiC interfaces. The multiple interfacial interactions provide a new modulated perspective for the next-generation electronics and optoelectronics based on the 2D/3D semiconductors heterojunctions.