不同3d过渡金属掺杂对ZnS电子结构和光学性质的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对掺杂不同3d过渡金属元素的闪锌矿型ZnS系统进行了研究。结果表明,掺杂元素的主要贡献在费米面附近,掺杂后系统的价带底、导带均向低能方向移动,带隙变小。Fe、Mn、Cr、V的掺杂为n型掺杂,Cu、Ni、Co的掺杂为p型掺杂。掺杂后系统的光学吸收边都有明显的红移,在绿光区有较强的吸收。此外,V和Cr掺杂系统在远紫外区也有较强的吸收,结果与实验符合。     

N掺杂对zigzag型石墨烯纳米带的能带结构和输运性质的影响

用第一性原理研究了N掺杂zigzag型石墨烯纳米带(z-GNRs)的能带结构、透射谱和电流电压特性,研究结果表明N掺杂将使得z-GNRs的能带结构中出现能隙,材料从金属转变为半导体;随着杂质浓度的增大,相同偏压下电流明显减小,同时体系费米面附近的透射率逐渐减小;z-GNRs的长度、宽度以及N原子的替代掺杂位置均会对输运性质产生影响,在宽度较小的情况下,掺杂浓度和掺杂位置两种因素共同影响体系的输运性质. 关键词： 石墨烯纳米带 N掺杂 能带结构 输运性质     

稀土元素La掺杂β-FeSi2的几何结构和电子结构的第一性原理研究

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掺杂β-FeSi2的几何结构、能带结构、态密度进行了理论计算.几何结构的计算表明:La掺杂后使β-FeSi2的晶格常数a、b、c都变大了,使得晶胞体积也相应增大;La掺杂β-FeSi2的置换位置为FeⅡ位.电子结构的计算表明:能带结构为直接带隙,禁带宽度变窄仅为0.013eV;费米面进入价带,能带数目增多,态密度峰值减小,费米面附近载流子浓度显著增大.这些结果为β-FeSi2光电材料掺杂改性的实验和理论研究提供理论依据.     

Co-Cr共掺杂金红石型TiO_2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,采用第一性原理赝势平面波方法计算了Co、Cr单掺杂以及Co-Cr共掺杂金红石型TiO2的能带结构、态密度和光学性质.计算结果表明:纯金红石的禁带宽度为3.0eV,Co掺杂金红石型TiO2的带隙为1.21eV,导带顶和价带底都位于G点处,仍为直接带隙,在价带与导带之间出现了由Co 3d和Ti 3d轨道杂化形成的杂质能级;Cr掺杂金红石型TiO2的直接带隙为0.85eV,在价带与导带之间的杂质能级由Cr 3d和Ti 3d轨道杂化轨道构成,导带和价带都向低能级方向移动;Co-Cr共掺杂,由于电子的强烈杂化,使O-2p态和Ti-3d态向Co-3d和Cr-3d态移动,使价带顶能级向高能级移动而导带底能级向低能方向移动,极大地减小了禁带的宽度,也是共掺杂改性的离子选择依据.掺杂金红石型TiO2的介电峰、折射率和吸收系数峰都向低能方向移动;在E2.029eV的范围内,纯金红石的ε2、k和吸收系数为零,掺杂后的跃迁强度都大于未掺杂时的跃迁强度,Co-Cr共掺杂的跃迁强度大于Co掺杂及Cr掺杂,说明Co、Cr共掺杂更能增强电子在低能端的光学跃迁,具有更佳的可见光催化性能.     

Y、Zr、Nb掺杂ZnS半导体第一性原理计算

本文采用第一性原理研究了Y,Zr,Nb在Zn位掺杂ZnS半导体的能带结构和态密度.研究结果表明:Y,Zr,Nb掺杂体系的价带顶与导带底都在布里渊区的G点,为直接带隙半导体材料,掺杂对带隙宽度影响不大,掺杂结构的导带向低能区移动;Y,Zr,Nb在Zn位掺杂的Zn S的费米能级从价带顶移至导带底,说明掺杂后ZnS半导体材料从p型转变为n型,同时费米能级处出现数条杂质能级;Y,Zr,Nb掺杂体系的总态密度的贡献主要来源于Zn 4s、Y,Zr,Nb的4d 5s以及S 3p相互作用.     

Mn掺杂GaN稀磁半导体的电磁特性研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法计算了不同浓度Mn掺杂GaN（Ga1-xMnxN, x=0.0625和0.1250）的晶格常数、能带结构和态密度,分析比较了掺杂前后GaN的电子结构和磁性。结果表明：Mn掺入后体系仍为直接带隙半导体,带隙宽度随Mn含量的增加逐步增大。Mn掺杂GaN均使得N 2p与Mn 3d轨道杂化,产生自旋极化杂质带,自旋向上的能带占据费米面,掺杂后的Ga1-xMnxN表现为半金属铁磁性,适合自旋注入;随着Mn掺杂浓度的增加,体系的半金属性有所增强。     

Mn掺杂GaN稀磁半导体的电磁特性研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法计算了不同浓度Mn掺杂GaN(Ga1-xMnxN,x=0.0625和0.1250)的晶格常数、能带结构和态密度,分析比较了掺杂前后GaN的电子结构和磁性.结果表明:Mn掺入后体系仍为直接带隙半导体,带隙宽度随Mn含量的增加逐步增大.Mn掺杂GaN均使得N2p与Mn3d轨道杂化,产生自旋极化杂质带,自旋向上的能带占据费米面,掺杂后的Ga1-xMnxN表现为半金属铁磁性,适合自旋注入;随着Mn掺杂浓度的增加,体系的半金属性有所增强.     

B、N单掺杂3C-SiC电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用第一性原理的密度泛函理论赝势平面波方法,计算了未掺杂与B、N单掺杂3C-SiC的电子结构和光学性质.结果表明:掺杂改变了3C-SiC费米面附近的电子结构;B掺杂使得禁带宽度减小,价带顶上移,费米能级进入价带,形成p型半导体;N掺杂使得禁带宽度减小,导带底下移,费米能级进入导带,形成n型半导体.B、N掺杂均提高了3C-SiC在低能区的折射率、消光系数和吸收系数,增强了对红外光谱的吸收.     

N-S共掺杂金红石相TiO2电子结构与光学性质的第一性原理研究

采用基于第一性原理的平面波超软赝势方法研究N和S单掺杂以及N和S共掺杂金红石相TiO2的能带结构,态密度和光学性质.结果表明:N掺杂导致禁带宽度减小为1.43 eV,并且在价带上方形成了一条杂质能带;S掺杂导致费米能级上移靠近导带,直接带隙减小为0.32 eV;N和S共掺杂导致能带结构中出现了两条杂质能带,靠近导带的一条杂质能级距离导带底约0.35 eV,靠近价带的一条杂质能级距离价带顶约0.85 eV,杂质能级主要由N原子的2p轨道和S原子的3p轨道组成.N和S掺杂后不但使TiO2的吸收带产生红移,而且在可见光区具有较大的吸收系数,光催化活性增强.     

稀土La掺杂CrSi_2电子结构与光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对稀土La掺杂CrSi2的几何结构,电子结构和光学性质进行了计算与分析.结果表明,La掺杂后,CrSi2的晶格常数a,b和c均增大,晶格体积增大.La掺杂导致费米面进入价带,带隙明显变窄仅为0.07eV;在费米面附近,La原子的5d层电子态密度只占总态密度很小的一部分,而总态密度仍然由Si的3p层和Cr的3d层电子的分波态密度决定;La掺杂后CrSi2的静态介电常数ε1(0)由28.98增大为91.69,ε2(ω)的两个介电峰均向低能方向偏移且增强,光学吸收边向低能方向移动,吸收峰减小.计算结果为CrSi2材料掺杂改性的实验研究提供了理论依据.     

Nb2H 的电子结构和相互作用

应用基于密度泛函理论的赝势-平面波方法研究了Nb₂H的电子结构和H原子占据点之间的关系.计算结果表明：由4个Nb近邻构成的四面体中心点(T点)为H的稳定俘获点，而由6个Nb近邻构成的八面体中心点(O点)则为相互作用势的极大值点，是不稳定点.相邻T点间存在低能量通道，具有鞍点(S点)结构.在T点及近邻低能通道上,H的1s能级展宽较弱，Nb的4d, 5s 带部分向下延展，与H带杂化后形成孤立带.当H由T向     

Influence of impurity hydrogen on the structure and properties of bulk Li and pressure effects

The structure and properties of a 16-atom body-centered cubic lithium cell with an interstitial hydrogen atom are studied using a pseudopotential-plane-wave method within the density functional theory at 0 K and high pressures. The host lattice is dramatically distorted by the introduction of H. Although the hydrogen atom is stable at the tetragonal site in perfect bcc host lattice, it favors the octahedral site formed by six non-equivalent Li atoms after full relaxation of the cell, showing P4/mmm symmetry within the pressures ranging from 0 to 6 GPa. The lattice ratio (a/c) changes irregularly with external pressure at about 3 GPa. The hydrogen band lies in the bottom of the valence band, separated by a gap from the metallic bands, illustrating the electronegativity of hydrogen. High reflectivity in the low frequency area induced by the impurity hydrogen is observed when only interband transitions are taken account of. A dip in reflectivity due to parallel band transitions is observed at ∼0.4 eV. Another dip at ∼4.3 eV appears when external pressure increases over 4 GPa.     

Electronic structures of hydrogen in perovskite-type oxide,SrTiO3

The electronic structures of hydrogen in SrTiO₃ are simulated by the DV-Xα molecular orbital method. In pure SrTiO₃, there is a band gap of about 3.5 eV between the O-2p valence band and the Ti-3d conduction band, in agreement with experiments. When Sc is doped into SrTiO₃, an acceptor level appears just above the valence band. On the other hand, when hydrogen is introduced into SrTiO₃, a donor level appears below the conduction band. The molecular orbital of the donor level is composed mostly of the Ti-3d and O-2p electrons, but still there is a small occupancy (6%∼12%) of the H-1s electrons in it. When both Sc and hydrogen coexist in SrTiO₃, charge transfer takes place from the donor level to the acceptor level. As a result of this charge compensation, the effective ionicity of hydrogen becomes about +0.17∼+0.24, the value of which is dependent on the hydrogen positions in the crystal lattice. Also, the chemical bond strengths between constituent ions are modified largely by dopants. For example, the Sc doping tends to strengthen the chemical bond between hydrogen and oxygen ions, but instead to weaken the chemical bond between the oxygen ion and the surrounding metal ions. In addition, it is shown that an oxygen ion vacancy makes the defect level below the conduction band in the Sc-doped oxide.     

Doping effects on metallic and semiconductor single-wall carbon nanotubes

In this paper we investigate nitrogen- and boron-doped zigzag and armchair single-wall carbon nanotubes (SWNTs) with theoretical models based on the density functional theory. We take into account nitrogen and boron doping for two isomers in which substitutive atoms are on opposite sides of the tube, but only in one isomer the impurity sites are symmetrical with respect to the diameter. The band structures show a strong hybridization with impurity orbitals that change the original band structure. Although the two isomers of armchair SWNT exhibit the same formation energy, their band structures are different. Indeed asymmetrical isomers are gapless and exhibit a crossing of valence and conduction bands at k?=?π/c, leading to metallic SWNTs. Band structures of symmetrical isomers, on the other hand, exhibit an energy gap of 0.4?eV between completely filled valence and empty conduction bands. We use density of charge in order to understand this difference. In zigzag SWNT an impurity band is introduced in the energy gap and for N doping this band is just partially occupied in such a way that the electronic behaviour is reversed from semiconductor to metallic. Whereas for a given isomer armchair SWNT shows similar behaviours of N- and B-doped structures, B-doped zigzag SWNTs present different band structure and occupation compared to the N-doped case.     

不同浓度Mg掺杂单层Janus WSSe的第一性原理研究

二维Janus WSSe作为一种新型过渡金属硫族化合物(TMDs)材料由于其独特的面外非对称结构及众多新颖的物理特性，在自旋电子器件中具有巨大的应用潜力.本文基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法，通过构建四种掺杂模型W_9-xMg_xS₉Se₉(x=0、1、2、3),分别计算了不同浓度Mg掺杂单层WSSe的电子结构和光学性质.结果表明：掺杂使得WSSe由直接带隙半导体变为间接带隙半导体，并且随着掺杂浓度的增加，带隙逐渐减小，费米能级穿过价带，使得掺杂体系变成P型半导体，当x=3时，掺杂体系呈现金属性.此外，掺杂体系的静态介电常数随着掺杂浓度的增加而变大，极化程度显著增强，介电函数虚部和光吸收峰都发生了红移，说明掺杂有利于可见光的吸收.并且，静态折射率随着掺杂浓度的增加而呈现上升趋势，同时消光系数的峰值也与Mg原子的掺杂浓度呈现正相关.     

H掺杂α-Fe2O3的第一性原理研究

α-Fe₂O₃是一种重要的磁性半导体材料, 在电子器件中应用广泛, 具有重要的研究意义. 本文基于密度泛函理论, 采用GGA+U方法, 应用第一性原理对间隙H掺杂前后的六方相α-Fe₂O₃的晶格常数、态密度、Bader 电荷分布进行了计算分析. 研究了U值对结果的影响, 发现U=6 eV时, 体相α-Fe₂O₃的晶胞平衡体积、Fe原子磁矩、带隙值与实验值最符合. 在选取合适U值后, 第一性原理计算结果表明, H掺杂后, 间隙H部分被氧化, 其最近邻的Fe 和O部分被还原, H和O有一定程度的成键. 在费米面附近, 出现了新的杂化能级, 杂化能级扩展了价带顶的宽度, 同时导带底下移, 引起带隙减小, 表明H掺杂是一种有效的能带结构调控方法.     

锯齿型石墨烯纳米带的能带研究

运用π电子紧束缚模型,具体研究了锯齿型石墨烯纳米带(ZGNRs)的边界结构对能带,特别是费米面附近的导带和价带电子的影响.计算了七种不同边界结构的ZGNRs的能带色散关系及费米面附近价带电子在原胞中各原子上的分布情况.计算结果表明:两边界都无悬挂原子的NN-ZGNRs,只有一边界有悬挂原子的DN-ZGNRs,两边界都有五边形环的SPP-ZGNRs和ASPP-ZGNRs为金属性.两边界都有悬挂原子的DD-ZGNRs,一边界为五边形环另一边界无悬挂原子的PN-ZGNRs和一边界为五边形环另一边界有悬挂原子的P 关键词： 锯齿型石墨烯纳米带 紧束缚模型 电子密度分布 缺陷结构     

Ni-C共掺杂AgSnO2触头材料电性能第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理分析方法的CASTEP软件,计算了Ni、C单掺杂和共掺杂SnO₂的晶格参数、能带结构、电子态密度和布局,结果表明:单掺杂和共掺杂均使得晶胞体积略微增大,禁带减小,且仍属于直接带隙半导体,在价带顶和导带底产生杂质能级,其中Ni-C共掺杂时禁带最小,杂质能级最多,电子跃迁需要的能量更小,导电性也就最好.共掺杂时费米能级附近的峰值有所减小,局域性降低,原子间的成键结合力更强,使得SnO₂材料也更加稳定.     

Nitric acid-stabilized superparamagnetic iron oxide nanoparticles studied with X-rays

Using density functional theory, we systematically investigate the adsorption geometries and electrical properties of (3,3) carbon nanotube (CNT) integrated on hydrogen-terminated Si(001):1?×?1 surface. Prior to adsorption of the CNT, the surface is patterned in two different ways by desorbing selective hydrogen atoms from the surface. The (3,3) CNT which is metallic in nature becomes semiconducting with a band gap around the fermi level when it is supported on patterned hydrogen-terminated Si(001):1?×?1 surface. However, the band gap is reduced when a transverse electric field is applied, allowing the (3,3) CNT on the patterned hydrogen-terminated Si(001):1?×?1 to become metallic at a critical field strength. The tuning of electrical properties of the (3,3) CNT integrated with Si surface may have potential technological applications.     

强激光照射对2H-SiC晶体电子特性的影响

使用基于密度泛函微扰理论的第一原理赝势法, 计算了纤锌矿结构2H-SiC晶体在强激光照射下的电子特性, 分析了其能带结构和电子态分布. 计算结果表明: 2H-SiC平衡晶格参数a 和c随电子温度T_e的升高逐渐增大; 电子温度在0–2.25 eV范围内时, 2H-SiC仍然是间接带隙的半导体晶体, 当T_e超过2.25 eV达到2.5 eV以上时, 2H-SiC变为直接带隙的半导体晶体; 随着电子温度升高, 导带底和价带顶向高能量或低能量方向发生了移动, 当电子温度T_e大于3.5 eV以后, 价带顶穿越费米能级; 电子温度T_e在0–2.0 eV变化时, 带隙随电子温度升高而增大; T_e在2.0–3.5 eV范围变化时, 带隙随电子温度升高而快速地减少, 表明2H-SiC晶体的金属性随电子温度T_e的继续升高而增强. 在T_e =0, 5.0 eV 处, 计算了2H-SiC晶体总的电子态密度和分波态密度. 电子结构表明T_e =0 eV 时, 2H-SiC 是一个带隙为2.3 eV的半导体; 在T_e =5.0 eV时, 带隙已经消失而呈现出金属特性, 表明当电子温度升高时晶体的共价键变弱、金属键增强, 晶体经历了一个熔化过程, 过渡到金属状态.