Nd高掺杂锐钛矿相TiO2电子结构和吸收光谱的第一原理研究

基于密度泛函理论平面波超软赝势方法, 采用第一原理研究未掺杂和不同浓度Nd高掺杂锐钛矿相TiO₂的电子结构和吸收光谱. 计算结果表明, 在本文限定的Nd高掺杂浓度范围内, Nd高掺杂浓度越小, 锐钛矿相TiO₂的禁带宽度越窄, 吸收光谱发生红移越显著. 计算结果与实验结果变化趋势相一致.     

Al高掺杂浓度对ZnO导电性能影响的第一性原理研究

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,在同等环境条件下,建立了未掺杂和三种不同浓度的Al原子取代Zn原子的Zn_1-xAl_xO模型,然后分别对模型进行了几何结构优化、总态密度分布和能带分布的计算.结果表明:ZnO高掺杂Al的条件下,随掺杂Al原子浓度增大,进入导带的电子增多,电子迁移率减小,电导率减小,导电性能减弱;但是随高掺杂Al的浓度减小,反而使电子迁移率增大,电导率增大,导电性能增强.计算得到的结果与实验中Al原子 关键词： Al高掺ZnO 电导率 浓度 第一性原理     

Eu掺杂量对锐钛矿相TiO2电子寿命和吸收光谱影响的第一性原理研究

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,建立了不同Eu掺杂量的锐钛矿相TiO₂超胞模型,计算了其态密度、差分电荷密度、能带结构和吸收光谱.结果发现:掺杂后Eu在TiO₂的禁带中产生杂质能级.通过对比两种不同Eu掺杂量(1.39at%和2.08at%)下的锐钛矿TiO₂的能带结构,发现掺杂量越高,杂质能级越向深能级方向移动,说明电子复合率随杂质浓度增加而增加,即电子寿命变小,同时吸收光谱红移越显著,强度越强.根据实际需要,可在锐钛矿TiO₂中适量掺杂Eu,在适当减少电子寿命情况下,使吸收光谱红移.     

Zn1-xTMxO (TM=Al,Ga, In)导电性能的模拟计算

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, 构建了未掺杂与相同掺杂浓度的Zn_1-xTM_xO (TM=Al, Ga, In) 超胞模型,分别对模型进行了几何结构优化、态密度分布和能带分布的计算. 结果表明, 分别高掺杂 (Al, Ga, In) 相同原子分数3.125 at%的条件下, In掺杂对ZnO导电性能最好的结果, 计算结果和实验结果相一致. 关键词： (Al,Ga,In) 高掺ZnO 导电性能 第一性原理     

Mn高掺杂浓度对ZnO禁带宽度和吸收光谱影响的第一性原理研究

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法, 建立了未掺杂与不同浓度的Mn原子取代Zn原子的三种Zn_1-xMn_xO超胞模型, 分别对模型进行了几何结构优化、态密度分布、能带分布和吸收光谱的计算. 结果表明: 电子非自旋极化处理的条件下, Mn掺杂浓度越小, ZnO形成能越小, 掺杂越容易, 晶体结构越稳定; Mn的掺入使得ZnO体系的杂质能带和导带发生简并化, 并且导带底和价带底同时向低能方向移动, 掺杂后的导带比价带下降得少导致禁带宽度变宽, ZnO吸收光谱明显出现蓝移现象, 计算结果和实验结果相一致. 同时, 电子自旋极化处理的条件下, 体系有磁性, 吸收光谱发生红移现象. 计算结果与相关实验结果相符合.     

Tl掺杂对InI禁带宽度和吸收边带影响的第一性原理研究

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,建立了未掺杂与不同浓度的Tl原子取代In原子的In1-xTlxI超胞模型,分别对模型进行了几何优化、能带分布、态密度分布和吸收光谱的计算.结果表明:Tl掺杂浓度越小,In1-xTlxI形成能越低,晶体结构越稳定;Tl的掺入使得InI体系导带向高能方向移动,而价带顶位置基本没变,导致禁带宽度变宽,InI吸收光谱出现明显蓝移现象.     

3C-SiC材料p型掺杂的第一性原理研究

采用基于第一性原理的密度泛函理论平面波超软赝势法,研究了SiC材料p型掺杂的晶体结构和电子结构性质,得到了优化后体系的结构参数,掺杂形成能,能带结构和电子态密度,计算得到掺杂B,Al,Ga在不同浓度下的禁带宽度.结果表明:随着掺杂B原子浓度的增大,禁带宽度随之减小;而随着掺杂Al,Ga原子浓度的增大,禁带宽度随之增大;在相同浓度下,掺杂Ga的禁带宽度大于掺杂Al,掺Al禁带宽度大于掺B. 关键词： SiC 电子结构 掺杂 第一性原理软件     

(InAs)1/(GaSb)1超晶格原子链的第一原理研究

利用第一原理平面波赝势法, 对(InAs)₁/(GaSb)₁超晶格原子链的原子结构、力学特性、电子能带结构、 声子结构和光学特性进行研究, 并结合密度泛函理论数值原子轨道赝势法和非平衡格林函数法计算量子输运特性. 与二维层结构的(InAs)₁/(GaSb)₁超晶格相比, (InAs)₁/(GaSb)₁超晶格原子链的能带结构有明显不同, 在某些情况下表现为金属能带特性. 对理想条件下(InAs)₁/(GaSb)₁ 超晶格原子链的力学强度计算表明, 该结构可承受的应变高达 ε=0.19. 通过对声子结构的完整布里渊区分析, 研究了(InAs)₁/(GaSb)₁超晶格原子链的结构稳定性. 对两端接触电极为Al纳米线的InAs/GaSb超晶格原子链的电子输运特性计算表明, 电导随链长和应变的改变而发生非单调变化.光吸收谱的计算结果表现出在红外波段具有陡峭吸收边, 截止波长随超晶格原子链的结构而变化.预计InAs/GaSb超晶格原子链可应用于红外光电子纳米器件, 通过改变超晶格原子链的结构来调节光电响应波段.     

Sm-N共掺杂对锐钛矿相TiO2的电子结构和吸收光谱影响的第一性原理研究

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, 建立了N, Sm分别单掺杂以及Sm-N共掺杂的锐钛矿TiO₂超胞模型, 对其态密度、能带结构和吸收光谱进行了计算. 结果表明: N单掺杂的锐钛矿TiO₂的红移效果最强, 但Sm-N共掺杂锐钛矿TiO₂的载流子寿命更长, 且共掺杂形成的体系更加稳定.     

Mo-X(B, C, N, O, F)共掺杂TiO2体系的光催化协同效应研究

采用密度泛函理论平面波超软赝势方法, 计算并分析了Mo/X(B, C, N, O, F)共掺杂TiO₂体系的形成能、电子结构和光学性质, 研究了共掺杂协同效应对于计算体系光催化性能的影响机制. 首先计算出不同掺杂体系的态密度及能带结构, 利用能带理论分析了共掺杂效应对于禁带宽度的调控作用, 进而分析了共掺杂对TiO₂光催化能力和稳定性的协同作用. 结合电荷密度图, 分析原子间的电荷转移情况, 得到计算体系中各原子成键状态. 最后, 结合光吸收谱线分析得出Mo/C共掺杂类型在调制TiO₂体系中可见光波段的光催化性能上优势明显, 在催化作用上表现出协同效应. 本文的理论研究对共掺杂方法在TiO₂光催化领域有着一定的指导意义.     

B（N）掺杂单壁碳纳米管的Al原子吸附性能的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波赝势方法和广义梯度近似,对未掺杂、掺B、掺N的碳纳米管(CNT)不同位置上Al原子的吸附进行了几何优化,计算了吸附Al、掺杂前后CNT的能带结构、态密度、差分电荷密度、电荷布居数和吸附能.计算结果表明,掺B使CNT形成缺电子状态,利于具有自由电子的Al原子的吸附结合,可显著提高Al在金属性的(5,5)CNT和半导性的(8,0)CNT外壁的吸附能;掺杂N形成多电子状态,在费米能级附近半满的施主能级也利于填充Al的价电子,改善Al在(5,5)CNT和(8,0)CNT外壁的吸附结合性 关键词： 密度泛函理论 单壁碳纳米管 B(N)掺杂 Al原子吸附     

First-principles study on the doping effects of Al in α-MnO2

In this paper, first-principles calculations have been implemented to study the structural relaxation, formation energies and electronic structure of Al doped α-MnO₂. Both Al insertion and Al substitution reactions in the α-MnO₂ were considered. Calculated formation energies indicate that Mn atom is easier to be displaced by Al atom under the O-rich growth condition compared with Al insertion reaction. Besides, it can be found that Al doping can afford acceptor impurity level which can accommodate electrons, thus contributing to the improvement of conductivity of α-MnO₂. The conductivity of α-MnO₂ is gradually improved with the increasing doping concentration of Al, and Al_0.0417Mn_0.9583O₂ exhibits the best conductivity. Lastly, the electronic structure of Al_0.0417Mn_0.9583O₂ was further investigated by analysis of total charge density and Bader charge. It is clear that Al doping can afford more electrons for α-MnO₂, which also contributes to improvement of its conductivity.     

F掺杂SnO2电子结构的模拟计算

采用基于密度泛函理论的平面波赝势方法对SnO₂:F体系的电子结构进行了第一性原理模拟计算.用广义梯度近似方法优化SnO₂:F体系的晶胞结构，计算了体系基态总能.通过确定F掺杂对O的优先替代位置，计算了SnO₂:F的能带结构、态密度、分波态密度.分析了F掺杂对SnO₂晶体的电子结构和晶体性质及光学吸收边的影响，从理论上得出光学吸收边发生蓝移.对不同掺杂量的体系电子结构进行了分析. 关键词： F掺杂 2')" href="#">SnO₂ 电子结构 态密度     

Cr和W掺杂的单层MoS2电子结构的第一性原理研究

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波赝势方法, 研究了Cr和W掺杂对单层二硫化钼(MoS₂)晶体的电子结构性质的影响. 计算结果表明: 当掺杂浓度较高时, W对MoS₂的能带结构几乎没有影响, 而Cr的掺杂则影响很大, 表现为能带由直接带隙变为间接带隙, 且禁带宽度减小. 通过进一步分析, 得出应力的产生是导致Cr掺杂的MoS₂电子结构变化的最直接的原因.     

铂掺杂扶手椅型石墨烯纳米带的电学特性研究

本文采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算了铂原子填充扶手椅型石墨烯纳米带(AGNR)中双空位结构的电学性能.计算结果表明: 通过控制铂原子的掺杂位置, 可以实现纳米带循环经历小带隙半导体—金属—大带隙半导体的相变过程; 纳米带边缘位置是铂原子掺杂的最稳定位置, 边缘掺杂纳米带的带隙值随宽度的变化与本征AGNR一样可用三簇曲线表示, 但在较大宽度时简并成两条曲线, 一定程度上抑制了带隙值的振荡; 并且铂原子边缘掺杂导致宽度系数N_a = 3p和3p + 1(p是一个整数)的几个较窄纳米带的带隙中出现杂质能级, 有效地降低了其过大的带隙值. 此外, 铂掺杂AGNR的能带结构对掺杂浓度不是很敏感, 从而降低了对实验精度的挑战. 本文的计算有利于推动石墨烯纳米带在纳米电子学方面的应用.     

First-principle study on the effect of high Li-2N co-doping on the conductivity of ZnO

Based on the density functional theory (DFT), using first-principles plane-wave ultrasoft pseudopotential method, the models of the unit cell of pure ZnO and two highly Li-2N co-doped supercells of Zn_0.9375Li_0.0625O_0.875N_0.125 and Zn_0.9167Li_0.0833O_0.8333N_0.1667 were constructed, and the geometry optimization for the three models was carried out. The total density of states (TDOS) and the band structures (BS) were also calculated. The calculation results showed that in the range of high doping concentration, when the co-doping concentration is more than a certain value, the conductivity decreased with the increase of co-doping concentration of Li-2N in ZnO, which agrees with the change trend of the experimental results.     

Ga/N高共掺浓度对ZnO导电性能和红移影响的第一性原理研究

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法, 建立了未掺杂ZnO单胞和两种不同浓度的Ga/N高共掺ZnO超胞模型, 分别进行了几何结构优化、总态密度分布和能带分布的计算. 研究表明, ZnO高共掺Ga/N的条件下, Ga/N高共掺浓度越大, 导电性能越弱, 并且高掺杂后高能区红移效应显著, 计算得到的结果与实验结果的变化趋势一致. 关键词： Ga/N高共掺ZnO 电导率 红移 第一性原理     

Al-2N高共掺浓度对ZnO半导体导电性能影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论（DFT）框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,在同等环境条件下,建立了不同大小的ZnO模型,在ZnO中对不同浓度的氮和铝原子进行了高掺杂,并对低温条件下高掺杂氮和铝原子的ZnO半导体进行了态密度计算,然后分别对进入价带的相对空穴数和空穴散射迁移率进行了计算,最后对电导率进行了类比,发现适量低浓度的高掺杂氮和铝原子会使ZnO半导体的导电性能增强.即在低温高掺杂氮和铝原子的条件下,ZnO半导体的电导率不仅与掺杂氮和铝原子浓度有关,而且和进入价带的相对空穴数有关.和空穴散射的迁移率有关的结 关键词： ZnO半导体 浓度 电导率 第一性原理     

A first-principles calculation on the electronic properties of Si/N-codoped TiO2

To deeply understand the effects of Si/N-codoping on the electronic structures of TiO₂ and confirm their photocatalytic performance, a comparison theoretical study of their energetic and electronic properties was carried out involving single N-doping, single Si-doping and three models of Si/N-codoping based on first-principles. As for N-doped TiO₂, an isolated N 2p state locates above the top of valence band and mixes with O 2p states, resulting in band gap narrowing. However, the unoccupied N 2p state acts as electrons traps to promote the electron-hole recombination. Using Si-doping, the band gap has a decrease of 0.24 eV and the valence band broadens about 0.30 eV. These two factors cause a better performance of photocatalyst. The special Si/N-codoped TiO₂ model with one O atom replaced by a N atom and its adjacent Ti atom replaced by a Si atom, has the smallest defect formation energy in three codoping models, suggesting the model is the most energetic favorable. The calculated energy results also indicate that the Si incorporation increases the N concentration in Si/N-codoped TiO₂. This model obtains the most narrowed band gap of 1.63 eV in comparison with the other two models. The dopant states hybridize with O 2p states, leading to the valence band broadening and then improving the mobility of photo-generated hole; the N 2p states are occupied simultaneously. The significantly narrowed band gap and the absence of recombination center can give a reasonable explanation for the high photocatalytic activity under visible light.     

Theoretical study on electronic and optical properties of Zn-doped In<Subscript>0.25</Subscript>Ga<Subscript>0.75</Subscript>As photocathodes

First-principles calculations for intrinsic and Zn-doped In_0.25Ga_0.75As are performed based on density functional theory to study the influence of Zn doping on electronic and optical properties. The band structure, density of state, Mulliken population, dielectric function, complex refractive index, absorption coefficient and reflectivity of In_0.25Ga_0.75As are calculated. Results show that the Fermi levels of two Zn-doped models enter into the valence bands and Zn atom is more easily to replace In atom than Ga atom. The lattice constant of In_0.2344Ga_0.75Zn_0.0156As reduced after optimization, while that of In_0.25Ga_0.7344Zn_0.0156As increased to the contrary. The Mulliken bond population shows that the doping Zn atoms can enlarge the strength of In–As and Ga–As polar covalent bonds. Furthermore, the calculated absorption coefficient and reflectivity are used to characterize the performance of photoemission, indicates that the photoresponses of Zn-doped models are better than that of the intrinsic.