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.     

稀土元素(La,Y)掺杂GaN的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对稀土元素La,Y单掺杂和La和Y共掺杂GaN的晶格常数、电子结构及光学性质进行了计算与分析.计算结果表明:掺杂改变了GaN的能带结构,未掺杂和Y掺杂形成导带底和价带顶位于G点的直接带隙半导体,而La掺杂和La和Y共掺杂形成导带底位于G点,价带顶位于Q点的间接带隙半导体.可以通过掺杂元素来调制GaN的禁带宽度和带隙类型,掺杂均提高GaN在低能区的静态介电常数、反射率、折射率,使光子的跃迁强度增大,说明稀土元素La,Y掺杂可有效调制GaN的光电性质.     

带隙可调的Al，Mg掺杂ZnO薄膜的制备

利用射频磁控溅射（RF-MS）方法,固定Al₂O₃掺杂量2 wt%,Mg掺杂量分别为1 wt%,3 wt%和5 wt%,在玻璃基底上制备了Al掺杂和Al,Mg共掺杂的ZnO薄膜,在500 ℃空气中退火2 h后,测量并比较了它们的光学和电学性质．结果表明,Al,Mg共掺杂的ZnO薄膜结晶质量良好,具有ZnO纤锌矿结构,具有较强的（002）面衍射峰,表明薄膜晶体沿c轴优先生长;与Al掺杂ZnO薄膜相比蓝端光透射率增加,1 wt%和3 wt% Mg掺杂薄 关键词： 射频磁控溅射 ZnO薄膜 Al Mg共掺杂     

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.     

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.     

掺杂GaN/AlN超晶格第一性原理计算研究

第一性原理计算方法在解释实验现象和预测新材料结构及其性质上有着重要作用. 因此, 通过基于密度泛函理论的第一性原理的方法, 本文系统地研究了Mg和Si掺杂闪锌矿和纤锌矿两种晶体结构的GaN/AlN超晶格体系中的能量稳定性以及电学性质. 结果表明: 在势阱层(GaN 层)中, 掺杂原子在体系中的掺杂形成能不随掺杂位置的变化而发生变化, 在势垒层(AlN层)中也是类似的情况, 这表明对于掺杂原子来说, 替代势垒层(或势阱层)中的任意阳离子都是等同的; 然而, 相比势阱层和势垒层的掺杂形成能却有很大的不同, 并且势阱层的掺杂形成能远低于势垒层的掺杂形成能, 即掺杂元素(Mg_Ga, Mg_Al, Si_Ga和Si_Al)在势阱区域的形成能更低, 这表明杂质原子更易掺杂于结构的势阱层中. 此外, 闪锌矿更低的形成能表明: 闪锌矿结构的超晶格体系比纤锌矿结构的超晶格体系更易于实现掺杂; 其中, 闪锌矿结构中, 负的形成能表明: 当Mg原子掺入闪锌矿结构的势阱层中会自发引起缺陷. 由此, 制备以闪锌矿结构超晶格体系为基底的p型半导体超晶格比制备n型半导体超晶格需要的能量更低并且更为容易制备. 对于纤锌矿体系来说, 制备p型和n型半导体的难易程度基本相同. 电子态密度对掺杂体系的稳定性和电学性质进一步分析发现, 掺杂均使得体系的带隙减小, 掺杂前后仍然为第一类半导体. 综上所述, 本文内容为当前实验中关于纤锌矿结构难以实现p型掺杂问题提供了一种新的技术思路, 即可通过调控相结构实现其p型掺杂.     

Cu-Fe共掺杂ZnO电子结构与光学性质的第一性原理计算研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了本征ZnO,Cu、Fe单掺杂和Cu-Fe共掺杂ZnO的电子结构和光学性质.计算结果显示:Cu掺杂属于p型掺杂,Fe掺杂属于n型掺杂,单掺杂时Cu-3d态电子和Fe-3d态电子均在禁带形成杂质能级,从而提高ZnO的载流子浓度,改善ZnO的导电性能,而Cu-Fe共掺杂时ZnO半导体进入简并态,呈现金属特性.掺杂后的ZnO介电函数虚部变化主要集中在低能量区域,光谱吸收系数及反射率曲线发生红移,其中本征ZnO对太阳光谱有较好的透射性,Fe单掺杂和Cu-Fe共掺杂ZnO对可见光谱有相似的吸收效果,而Fe单掺杂ZnO对近紫外区域的光谱透射率更小,适用于制备防紫外线薄膜.     

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.     

Ge，Al掺杂锰硅化合物Mn4Si7的第一性原理计算

基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算方法,对本征Mn4Si7以及Ge,Al单掺杂和共掺杂Mn4Si7的晶体结构,能带结构,态密度以及光学性质进行了计算和分析.计算结果表明：本征态Mn4Si7的禁带宽度为0.810 eV,为直接带隙半导体材料,掺杂后晶体结构稍微变化,禁带宽度减小,且共掺杂时禁带宽度最小,电导率最好.Al以及Ge,Al共同掺杂时会产生杂质能级.掺杂后光子能量向低能级方向移动,光电导率,光吸收,反射系数都有所增大,说明掺杂改善了Mn4Si7的光学性质,从而可以提高光伏发电效率.     

(Al,Ga,In)和2N择优位向重共掺对ZnO导电性能影响的研究

目前,虽然Zn1-xT Mx O1-y Ny(TM=Al,Ga,In)p型掺杂的理论计算研究已有报道,但是,掺杂均是随机的,没有考虑ZnO的非对称性进行择优位向掺杂.因此,本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,构建TM:N=1:2比例择优位向共掺,共设六种不同的Zn1-xT Mx O1-y Ny(TM=Al,Ga,In.x=0.03125,y=0.0625)超胞模型,并分别进行几何结构优化、态密度分布和能带结构分布的计算.结果表明,重掺杂条件下,择优位向共掺后,同类择优位向共掺的体系中,TM-N沿c轴方向成键体系的电导率大于垂直于c轴方向成键体系的电导率.不同类TM-N沿c轴方向成键共掺的体系中,In-N沿c轴方向成键共掺时ZnO的电导率最强,电离能最小,Bohr半径最大,In-N沿c轴方向成键共掺对ZnO p型导电更有利.因此,TM:N=1:2比例择优位向共掺,对设计和制备导电性能更强的ZnO功能材料具有一定的理论指导作用.     

Nd、N掺杂ZnO的电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理,使用GGA+U方法计算出N、Nd分别单掺ZnO及N、Nd共掺ZnO晶体的形成能,能带结构,态密度及光学性质.经过对比发现:N、Nd各掺杂ZnO中,共掺体系比单掺体系更容易形成,其中低浓度掺杂难度更低;共掺体系随着掺杂浓度的升高,其畸变的强度就越强,禁带宽度变窄,电子跃迁到导带上所需的能量更小,光吸收系数较大,并且都产生了红移,光谱响应范围扩展到了整个可见光区域;共掺体系在低能区域的介电谱峰值较高,说明其极化能力较强,光生电场强度较大,会使光激发载流子在晶体内的迁移变快,对电荷的束缚能力增强.因此N、Nd共掺可以有效提升ZnO的光催化性和极化能力.     

Cu,O共掺杂AlN晶体电子结构与光学性质研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法对纯Al N,Cu单掺杂以及Cu与O共掺杂Al N超胞进行了几何结构优化,计算了掺杂前后体系的晶格常数、能带结构、态密度与光学性质.结果表明:掺杂后晶格体积增大,系统能量下降;Cu掺入后Cu 3d电子与N 2p电子间有强烈的轨道杂化效应,Cu与O共掺后Cu和O之间的吸引作用克服了Cu原子之间的排斥作用,能够明显提高掺杂浓度和体系的稳定性.光学性质分析中,介电函数计算结果表明Cu与O共掺杂能改善Al N电子在低能区的光学跃迁特性,增强电子在可见光区的光学跃迁;复折射率计算结果显示Cu与O掺入后由于电磁波穿过不同的介质,导致折射率发生变化,体系对低频电磁波吸收增加.     

Mn2+、N2-共掺杂Zn2GeO4晶体电子结构和光学性质的研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法对本征Zn2GeO4，Mn2+掺杂Zn2GeO4，Mn2+/N2-共掺杂Zn2GeO4超晶胞进行了几何结构优化，计算了掺杂前后体系的晶格常数、能带结构、态密度和光学性质。结果表明，Mn离子掺入后，Mn离子3d轨道与O离子2p轨道之间有强烈的轨道杂化效应，掺杂系统不稳定，而Mn/N离子共掺后，Mn离子和N离子之间的吸引作用克服了Mn离子之间的排斥作用，能够明显地提高掺杂浓度和体系的稳定性。光学性质计算结果表明，Mn离子与N离子共掺杂能改善Zn2GeO4电子在低能区的光学跃迁特性，增强电子在可见光区的光学跃迁；吸收谱计算结果显示，Mn离子与N离子掺入后体系对低频电磁波吸收增加。     

Intrinsic relationship between photoluminescence and electrical characteristics in modulation Fe-doped AlGaN/GaN HEMTs

The photoluminescence(PL) and electrical properties of Al GaN/GaN high electron mobility transistors(HEMTs) with different Fe doping concentrations in the GaN buffer layers were studied. It was found that, at low Fe doping concentrations,the introduction of Fe atoms can result in a downward shift of the Fermi level in the GaN buffer layer, since the Fe atoms substitute Ga and introduce an Fe_(Ga)~(3+/2+) acceptor level. This results in a decrease in the yellow luminescence(YL) emission intensity accompanied by the appearance of an infrared(IR) emission, and a decrease in the off-state buffer leakage current(BLC). However, a further increase in the Fe doping concentration will conversely result in the upward shift of the Fermi level due to the incorporation of O donors under the large flow rate of the Fe source. This results in an increased YL emission intensity accompanied by a decrease in the IR emission intensity, and an increase in the BLC. The intrinsic relationship between the PL and BLC characteristics is expected to provide a simple and effective method to understand the variation of the electrical characteristic in the modulation Fe-doped HEMTs by optical measurements.     

Fe掺杂GaN光电特性的第一性原理研究

基于密度泛函理论体系,计算了本征GaN材料和12.5%的Fe掺杂GaN体系的光电特性,分析了晶体结构、能带结构和电子态分布、介电函数、吸收系数、折射率、反射率、能量损失谱和消光系数,从理论上讨论了掺杂对体系光电特性的影响.计算所得理想GaN的禁带宽度为3.41 eV,Fe的重掺杂体系明显变窄,为3.06 eV,但仍为直接带隙半导体.本征GaN材料与Fe掺杂GaN体系的静态介电常数为5.74和6.20,折射率为2.39和2.48,能量损失最大值在20.02 eV和18.96 eV,最大吸收系数能量均在13.80 eV左右.计算结果为Fe掺杂GaN高压光电导开关材料及器件的进一步研究提供了有力的理论依据和实验支持.     

Study of the optical-electrical characteristics of InxGa1−xN alloy with low in doping

The electronic structures and optical properties of In doped GaN were calculated with different doping concentration, from first-principles using density function theory with the plane-wave ultrasoft pseudopotential method. The influence of In doping on the volume, interactions among atoms, density of states, electron density difference, and optical properties of GaN was analyzed. The results show that the interactions among atoms are reduced, band gap decreases, and absorption spectra have red shift along with the increase of In doping concentration.     

第一性原理计算Cu-Cr共掺AlN稀磁半导体

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,结合广义梯度（GGA）近似对Cr单掺AlN和Cu-Cr共掺AlN的32原子超原胞体系进行几何结构优化,计算它们的晶格常数,能带结构,电子态密度以及光学性质.结果表明Cr单掺AlN和Cu-Cr共掺AlN均表现为半金属性质,带隙变窄,且Cu-Cr共掺体系自旋极化作用较Cr单掺强,材料表现出良好的铁磁性.共掺杂后,光吸收的范围增宽,体系对长波吸收加强,能量损失明显减小.     

掺Ga对ZnO电子态密度和光学性质的影响

采用密度泛函理论下的第一性原理平面波赝势方法,研究了掺Ga对纤锌矿ZnO电子态密度和光学性质的影响.从晶体配位场理论分析了掺Ga前后ZnO的成键情况及态密度的变化.计算得到掺Ga后电子浓度为2.42×10²¹ cm^-3,ZnO的载流子浓度提高了10⁴倍.比较分析掺Ga前后ZnO的介电函数、复折射率、吸收光谱和反射光谱可得,ZnO光吸收边向高能端移动,光学带隙增大.在可见光区,ZnO光吸收系数与反射率减小,光透过率显著提高,使ZnO:Ga成为 关键词： 密度泛函理论 态密度 光学性质 ZnO:Ga     

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。     

Ag掺杂AlN半导体光电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平面波超软赝势法,对Ag掺杂AlN 32原子超晶胞体系进行几何结构优化,计算并分析体系的电子结构、磁性和光学性质.结果表明:Ag掺杂后,Ag4d态电子与其近邻的N2p态电子发生杂化,引入杂质带形成受主能级,实现p型掺杂,使体系的导电能力增强,同时表现出金属性和弱磁性,其净磁矩为1.38μ_в.掺杂形成的N-Ag键电荷集居数较小,表现出强的离子键性质.掺杂后体系的介电函数虚部和光吸收谱在低能区出现新的峰值,同时复折射率函数在低能区发生变化,吸收边向低能方向延展,体系对长波吸收加强,能量损失明显减小.