Ga6 N6团簇结构性质的理论计算研究

在密度泛函理论的基础上,对Ga6N6团簇进行了第一性原理、全电子、从头计算,得到了10种可能的三维空间结构及其电子结构.其中最稳定结构的一对GaN原子的平均结合能为9.748 eV,因此是可能存在的.但与他人计算的Ga3N3和Ga5N5相比,Ga6N6团簇可能不属于"幻数"团簇.最稳定结构的Ga6N6团簇的费米面是部分占有的,能量为EF=-5.2972 eV,因此具有"金属性",但没有自旋磁矩.我们还计算了该结构的Ga6N6团簇的亲和势、电离能和电子跃迁能.这将有助于对GanNn团簇系列的结构和性质随n变化的研究.     

Ga空位对GaN:Gd体系磁性影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理结合投影缀加平面波的方法,研究了GaN中Ga被稀土元素Gd替代以及与邻近N或Ga空位组成的缺陷复合体的晶格常数、磁矩、形成能以及电子结构等性质.结果发现,Gd掺杂GaN后禁带宽度变窄,由直接带隙半导体转为间接带隙半导体;单个Gd原子掺杂给体系引入大约7μB的磁矩;在Gd与Ga或N空位形成的缺陷复合体系中,N空位对引入磁矩贡献很小,大约0.1μB,Ga空位能引入约2μB的磁矩.随着Ga空位的增多,体系总磁矩增加,但增加量与Ga空位的位置分布密切相关.当Ga空位分布较为稀疏时,Gd单原子磁矩受影响较小,但当Ga空位距离较近且倾向于形成团簇时,Gd单原子磁矩明显增加,而且这种情况下空位形成能也最小.     

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.     

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。     

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.     

平面结构Ga5N5团簇电子结构的第一性原理计算研究=

用基于密度泛函理论的第一性原理、全电子、从头算法研究了Ga5N5团簇的一个奇异的稳定平面结构，给出其电子结构、电子亲和势、电离能和结合能。计算结果显示Ga5N5团簇的该平面结构是稳定的，没有自旋磁矩。计算发现在团簇的N3基团中的结合在一起的三个氮原子间有大的电荷转移，尽管没有自由的N3分子能存在。这也许对Ga5N5团簇的具有最低基态能量的该平面结构的稳定性是重要的。     

p型GaN/Al0.35Ga0.65N/GaN应变量子阱中二维空穴气的研究

对Ga面p型GaN/Al0.35Ga0.65N/GaN应变异质结构中形成的二维空穴气(2DHG)进行了研究.首先基于半导体-绝缘体-半导体异质结构模型确定了应变异质中的临界厚度,然后自洽求解薛定谔方程和泊松方程,计算了当中间势垒层AlGaN处于完全应变状态和半应变状态两种条件下,顶层GaN及中间层AlGaN厚度的变化对2DHG分布的影响.计算结果表明,势垒层AlGaN和顶层GaN的应变状态和厚度对极化引起的2DHG面密度及分布有重要影响.在此基础上制备了p型GaN/Al0.35 Ga0.65N/GaN应变量子阱结构肖特基器件,并通过器件的C-V测试证实了异质结处2DHG的存在.器件响应光谱的测试结果表明,由于p型GaN/Al0.35Ga0.65N/GaN量子阱中强烈的极化作用和Stark效应使得器件零偏压和反向偏压时的响应光谱都向短波方向移动了10 nm,在零偏压下器件在280 nm处的峰值响应为0.022 A/W,在反向偏压为1 V时,峰值响应达到0.19 A/W,已经接近理论值.     

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.     

PbWO4晶体中铅空位相关的色心模型

使用密度泛函缀加平面波法,按照能量最低原理采用共轭梯度方法对几种含铅空位和不含铅空位的钨酸铅晶体进行结构优化处理,计算了铅空位周围晶格的弛豫,得到铅空位周围的晶格结构,同时对计算结果进行了讨论;在得到几何优化结构的基础上,利用相对论性密度泛函离散变分法进一步计算了几种钨酸铅晶体结构的电子态密度.计算结果表明:1)铅空位周围的晶格驰豫的结果使铅空位的局部电负性减弱.2)Pb 6s态的能级位于离价带顶10eV左右,说明Pb 6s态上的电子很难再失去,所以在钨酸铅中不太可能存在Pb3+或Pb4+.3)价带顶主要由O的2p态占居,氧的2p态最容易失去电子.4)铅空位周围的可能形成的色心是VF--VK+缔合色心.     

KMgF3晶体的色心和自陷态激子研究

应用从头计算方法对KMgE3离子晶体中的色心和自陷态激子(STE)进行了模拟研究.对包含F心的量子团簇进行几何结构优化,并计算了F心处于1s基态和2p激发态的Mulliken电荷分布.模拟结果表明,F心周围的晶格弛豫较小,处于基态的F心电子主要局域在阴离子空位处,而处于激发态的F心电子波函数则比较扩展.计算结果表明,Vk心移向邻近的间隙位置,但仍保持分子轴向与[110]晶向平行.自陷态激子的弛豫是分子轴向平移与转动的叠加.计算得到的F心、Vk心的光学激发能及STE的发光能与实验符合得较好.     

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.     

Local electronic structure around Mn and Ga in Mn-doped GaN films showing room temperature ferromagnetism

Local electronic structures around Ga and Mn in Mn-doped GaN film with T_c of 940 K are investigated by K X-ray absorption near edge structure (XANES) analysis. It was found that the shape of the Ga XANES spectrum is remarkably similar to that of the un-doped GaN film indicating that the local electronic structure around Ga is not disturbed with Mn doping. As for the Mn XANES spectra, obvious pre-edge peaks were observed: the fine structures in the pre-edges correspond with calculated Mn 3d partial density of states which predict impurity band formation with the Fermi energy stays in the spin-up band. These findings imply that Mn 3d levels stay within the gap with the Fermi energy stays in the spin-up band.     

未钝化和H钝化GaN纳米线的电子结构

用密度泛函理论研究直径为9.5Å,15.9Å和22.5Å,未钝化和H钝化GaN纳米线的能带和态密度.结果表明:未钝化和H钝化GaN纳米线的能隙都是直接带隙,未钝化GaN纳米线的禁带宽度随着直径的增加减小,但是变化不明显,H钝化GaN纳米线的禁带宽度随着直径增大也是减小的,但是减小的幅度比未钝化的大.未钝化GaN纳米线表面N原子的2p电子主要聚集在价带顶,表面Ga原子的4p电子主要聚集在导带底,这两种电子都具有很强的局域性,而且决定着能隙值;加H钝化可以消除表面原子产生的表面效应.     

First-principles calculation of electronic structure of MgxZn1-xO codoped with aluminium and nitrogen

Aiming at developing p-type semiconductors and modulating the band gap for photoelectronic devices and band engineering, we present the ab initio numerical simulation of the effect of codoping ZnO with Al, N and Mg on the crystal lattice and electronic structure. The simulations are based on the Perdew--Burke--Ernzerhof generalised-gradient approximation in density functional theory. Results indicate that electrons close to the Fermi level transfer effectively when Al, Mg, and N replace Zn and O atoms, and the theoretical results were consistent with the experiments. The addition of Mg leads to the variation of crystal lattice, expanse of energy band, and change of band gap. These unusual properties are explained in terms of the computed electronic structure, and the results show promise for the development of next-generation photoconducting devices in optoelectronic information science and technology.     

应变对两层半氢化氮化镓薄膜电磁学性质的调控机理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理模拟计算,研究了在应变作用下两层半氢化氮化镓纳米薄膜的电学和磁学性质.没有表面修饰的两层氮化镓纳米薄膜的原子结构为类石墨结构,并具有间接能隙.然而,当两层氮化镓纳米薄膜的一侧表面镓原子被氢化时,该纳米薄膜却依然保持纤锌矿结构,并且展示出铁磁性半导体特性.在应变作用下,两层半氢化氮化镓纳米薄膜的能隙可进行有效调控,并且它将会由半导体性质可转变为半金属性质或金属性质.这主要是由于应变对表面氮原子的键间交互影响和p-p轨道直接交互影响之间协调作用的结果.该研究成果为实现低维半导体纳米材料的多样化提供了有效的调控手段,为其应用于新型电子纳米器件和自旋电子器件提供重要的理论指导.     

Abnormal phenomenon of source-drain current of AlGaN/GaN heterostructure device under UV/visible light irradiation

We report an abnormal phenomenon that the source-drain current (I_D) of AlGaN/GaN heterostructure devices decreases under visible light irradiation. When the incident light wavelength is 390 nm, the photon energy is less than the band gaps of GaN and AlGaN whereas it can causes an increase of I_D. Based on the UV light irradiation, a decrease of I_D can still be observed when turning on the visible light. We speculate that this abnormal phenomenon is related to the surface barrier height, the unionized donor-like surface states below the surface Fermi level and the ionized donor-like surface states above the surface Fermi level. For visible light, its photon energy is less than the surface barrier height of the AlGaN layer. The electrons bound in the donor-like surface states below the Fermi level are excited and trapped by the ionized donor-like surface states between the Fermi level and the conduction band of AlGaN. The electrons trapped in ionized donor-like surface states show a long relaxation time, and the newly ionized donor-like surface states below the surface Fermi level are filled with electrons from the two-dimensional electron gas (2DEG) channel at AlGaN/GaN interface, which causes the decrease of I_D. For the UV light, when its photon energy is larger than the surface barrier height of the AlGaN layer, electrons in the donor-like surface states below the Fermi level are excited to the conduction band and then drift into the 2DEG channel quickly, which cause the increase of I_D.     

N掺杂锐钛矿TiO2电子结构的第一性原理研究

为了研究N掺杂对锐钛矿型TiO₂电子结构的影响，进而揭示N掺杂导致锐钛矿型TiO₂的禁带宽度变小的机理，对N掺杂TiO₂进行了基于密度泛函理论的第一性原理研究. 通过对能带、态密度及电子分布密度图的分析，发现在N掺杂后，N原子与Ti原子在导带区，发生了强烈的相互关联作用，致使Ti原子3d轨道上的电子向N原子2p轨道发生移动，使得导带降低了，从而使得TiO₂导带的禁带宽度变小.理论预测可以发生红移现象，与实验结果对比分析，理论与实验基本相符. 关键词： N掺杂 2')" href="#">锐钛矿型TiO₂ 电子结构     

Ga-vacancy-induced room-temperature ferromagnetic and adjusted-band-gap behaviors in GaN nanoparticles

Room-temperature ferromagnetism has been found in Ga-deficient GaN grown using the direct reaction of Ga \(_{2}\) O \(_{3}\) powder with NH \(_{3}\) gas. The observed magnetism in GaN induced by Ga vacancies is investigated both experimentally and theoretically. First-principles calculations reveal that the spontaneous spin polarization is created by the 3.0  \(\mu _\mathrm{B}\) local moment for GaN and magnetism originates from the polarization of the unpaired 2 \(p\) electrons of N surrounding the Ga vacancy. At the same time, the band gap can be also adjusted by changing the Ga-vacancy concentration.