Cd、Sr掺杂Mg2Ge电子结构和光学性质的第一性原理研究

此文用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法,分别研究了本征、掺Cd、掺Sr的Mg₂Ge的能带结构、电子态密度和光学性质.研究结果表明,本征Mg₂Ge是一种间接带隙半导体,带隙值为0.228eV.Sr的掺入使其变成带隙为0.591 eV的直接带隙半导体,Cd掺杂Mg₂Ge后表现出半金属性质.掺杂后的主要吸收峰减小,吸收谱范围增加.在可见光能量范围内,掺杂的Mg₂Ge有更低的反射率,对可见光的利用率增强.此外,掺杂还提高了高能区的光电导率.     

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.     

Li嵌入Mg2Ge的反应次序和电子结构变化

Mg₂Ge有望成为新的锂离子电池负极材料.使用基于平面波展开的第一性原理赝势法,计算并得到了Li嵌入Mg₂Ge负极材料时的反应次序.Li首先占据其中的间隙位置,占满间隙位置后随着嵌Li量的进一步增加,Li将逐步替位Mg₂Ge中一半的Mg位置,直到生成Li₂MgGe.计算结果表明,在整个嵌Li过程中主体材料的体积先膨胀后收缩,体积胀缩量很大,这是导致Mg₂Ge作为锂离子电池电极材料循环性能较差的重要 关键词： 锂离子电池 2Ge')" href="#">Mg₂Ge 反应次序 电子结构     

不同浓度下V掺杂Mg2Si的第一性原理研究

本文用基于密度泛函理论的超软赝势平面波方法,分别计算了四种V掺杂模型Mg_2-xV_xSi(x=0,0.25,0.5,0.75)的电子结构和光学性质,并对其能带图、态密度图和光学性质进行了分析.结果表明,V掺杂之后会使Mg₂Si由其原本的半导体性变为半金属性,在费米能级处出现了杂质能级,态密度图也显示V元素的3d轨道的贡献在费米能级附近占据主导地位,Mg₂Si的光学性质随着V元素的掺入也发生了改变.该文为Mg₂Si材料在电子器件和光学器件方面的应用提供了理论依据.     

Ce掺杂6H-SiC电子结构和光学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计算方法,对未掺杂及Ce掺杂6H-SiC的电子结构和光学性质进行理论计算.计算结果表明,未掺杂6H-SiC是间接带隙半导体,其禁带宽度为2.045 eV,掺杂Ce元素,带隙宽度下降为0.812 eV.未掺杂6H-SiC在价带的低能区,Si-3s、C-2s电子轨道对态密度的贡献较大,在价带的高能区,主要是由Si-3p、Si-3s、C-2p态组成.掺杂后Ce原子的4f轨道主要贡献在导带部分,掺杂后电导率提高.未掺杂时,只有一个介电峰,是价带电子跃迁到导带电子所致,掺杂后有两个介电峰,第一个介电峰是由于导带电子跃迁到Ce原子4f轨道上产生,第二个峰是价带电子向导带电子跃迁产生.未掺杂6H-SiC,在能量为10.31 eV处吸收系数达到最大值,掺杂后在能量为6.57 eV处,吸收系数达到最大值.     

Ce掺杂6H-SiC电子结构和光学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计算方法,对未掺杂及Ce掺杂6H-SiC的电子结构和光学性质进行理论计算.计算结果表明,未掺杂6H-SiC是间接带隙半导体,其禁带宽度为2.045 eV,掺杂Ce元素,带隙宽度下降为0.812 eV.未掺杂6H-SiC在价带的低能区,Si-3s、C-2s电子轨道对态密度的贡献较大,在价带的高能区,主要是由Si-3p、Si-3s、C-2p态组成.掺杂后Ce原子的4f轨道主要贡献在导带部分,掺杂后电导率提高.未掺杂时,只有一个介电峰,是价带电子跃迁到导带电子所致,掺杂后有两个介电峰,第一个介电峰是由于导带电子跃迁到Ce原子4f轨道上产生,第二个峰是价带电子向导带电子跃迁产生.未掺杂6H-SiC,在能量为10.31 eV处吸收系数达到最大值,掺杂后在能量为6.57 eV处,吸收系数达到最大值.     

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     

Sb、Sm共掺杂SnO2的电子结构与光学性质第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,构建了Sm、Sb及Sm和Sb共掺杂SnO₂超晶胞模型,研究了经过几何优化后的各掺杂体系的焓变值、能带结构、态密度、电荷布居、介电常数、吸收系数、反射率等光电性质.结果表明：Sm和Sb的掺杂可以有效地提升SnO₂的导电性能,且Sb和Sm共掺杂体系的电学性能最佳. Sm和Sb掺杂还可以增加SnO₂在红外波段的电子极化能力和电子跃迁概率,提升了红外反射率,且共掺杂体系的电子束缚能力最强、反射率最高.这为SnO₂基光电材料的研制提供了一定的理论依据.     

Ce和O空位共掺杂TiO_2的电子结构与光学性质

采用基于密度泛函理论加U的计算方法,研究了Ce和O空位单(共)掺杂锐钛矿相TiO_2的电子结构和光吸收性质.计算结果表明,Ce和O空位共掺杂TiO_2的带隙中出现了杂质能级,且带隙窄化为2.67 eV,明显比纯TiO_2和Ce,O空位单掺杂TiO_2的要小,因而可提高TiO_2对可见光的响应能力,使TiO_2的光吸收范围增加.光吸收谱显示,掺杂后TiO_2的光吸收边发生了显著红移;在400.0—677.1 nm的可见光区,共掺杂体系的光吸收强度显著高于纯TiO_2和Ce单掺杂TiO_2,而略低于O空位单掺杂TiO_2.此外,Ce掺杂TiO_2中引入O空位后,TiO_2的导带边从-0.27 eV变化为-0.32 eV,这表明TiO_2的导带边的还原能力得到了加强.计算结果为Ce和O空位共掺杂TiO_2在可见光光解水方面的进一步研究提供了有力的理论依据.     

稀土元素(Ce,Pr)掺杂GaN的电子结构和光学性质的理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法计算了稀土元素Ce,Pr掺杂GaN的晶格参数、能带、电子态密度和光学性质,使用LSDA +U的方法处理具有强关联作用的稀土4f态,并分析比较计算结果.计算表明:掺入Ce和Pr后的体系相比未掺杂的GaN晶格常数增大,带隙变窄,并分别在禁带中和价带顶附近引入了局域的杂质能级,该能级主要由Ce和Pr的4f电子提供;掺杂后都发生了磁有序化并产生磁矩;最后定性分析了掺杂前后介电函数和光吸收系数的变化,掺Ce的体系在介电函数和吸收系数的低能区出现了峰值,该峰的出现和禁带中的杂质能级到导带底的跃迁有关,而掺Pr的体系由于带隙变窄使介电峰和吸收边发生红移.     

微量Mg掺杂ZnO薄膜的光致发光光谱和带隙变化机理研究

利用射频磁控溅射(RF-MS)法在450℃玻璃基底上制备了Mg掺杂量分别为0.81at%,2.43at%和4.05at%的ZnO薄膜,对其微观结构、室温光致发光光谱(PL)、光学和电学性质进行了研究.结果发现,微量Mg掺杂ZnO薄膜晶体具有六方纤锌矿结构并保持高结晶质量;掺杂0.81at%和2.43at%Mg的ZnO薄膜室温PL谱中近带边发射(NBE)峰的短波方向出现了高能发射带与NBE峰同时存在;随着Mg掺杂量增加至4.05at%,这个高能发射带逐步将NBE峰掩盖.推测在Mg掺杂ZnO薄膜中,Mg2+替代Zn2+附近核外电子的能量增大并产生了一个高能级.而未被Mg2+替代的Zn2+周围的核外电子能量状态不变,带间能级依然存在,随着Mg掺杂量的增加处于高能级的电子数目逐步增加并占绝对优势.因此,ZnO薄膜随着Mg掺杂量增加薄膜禁带宽度增大,这是由于Mg掺杂后周围电子能量增大与Burstein-Moss效应共同作用的结果.另外,薄膜在可见光区域的平均透射率均大于85%,随着Mg掺杂量的增加,薄膜禁带宽度增大并在3.36—3.52eV内变化;Mg掺杂量为0.81at%,2.43at%和4.05at%时,薄膜电阻率分别为2.2×10-3,3.4×10-3和8.1×10-3Ω.cm.     

用GGA+U法研究稀土掺杂对ZnO电子结构磁性和光学性质的影响

基于自旋密度泛函理论框架下的广义梯度近似平面波模守恒赝势方法,确定了准确计算Zn_(16)O_(16)超晶胞各原子对应的U值;通过计算形成能和化学键的布局分析了掺杂结构的稳定性;通过原子电荷布局和自旋电子态密度的计算分析了掺杂结构的能带结构和磁性状态;讨论了各稀土原子掺杂对ZnO吸收光谱的影响.结果表明:稀土元素的引入使晶格膨胀,Zn-O键最长键增大而最小键减小,导致氧四面体畸变;Y/La/Ce掺杂的ZnO具有亚铁磁性,Th掺杂ZnO则呈弱铁磁性,Ac掺杂ZnO为顺磁体;稀土元素使ZnO的价带和导带下移,费米能级进入导带,增强了体系的电导率;Y/La/Ac掺杂对ZnO带隙宽度的影响较小,吸收光谱略微蓝移,而Ce/Th掺杂则有效提升了ZnO对可见光的吸收.     

B与N掺杂对单层石墨纳米带自旋极化输运的影响

通过第一性原理计算研究了具有锯齿状边沿并且具有反铁磁构型的单层石墨纳米带的自旋极化输运.研究发现,在中心散射区同一位置掺入单个B和N原子,尽管对整个体系磁矩的影响完全相同,但对两个自旋分量电流的影响却完全相反.掺B时,自旋向上的电流显著大于自旋向下的电流;而掺N时,自旋向下的电流显著大于自旋向上的电流.这是由于不管掺B还是掺N都将打破自旋简并,使得导带和价带中自旋向上的能级比自旋向下的能级更高.掺B引入空穴,使完全占据的价带变为部分占据,从而自旋向上的能级正好处于费米能级,使得电子透射能力更强、电流更大,而自旋向下的能级则离费米能级较远使电子透射的能力较弱.掺N则引入电子,使得原来全空的导带变为部分占据,从而费米能级穿过导带中自旋向下的能级,使得自旋向下的电子比自旋向上的电子透射能力更强. 关键词： 自旋极化输运 单层石墨纳米带 第一性原理 非平衡格林函数     

稀土（Ce,Gd）掺杂CdS的第一性原理研究

采用第一性原理赝势平面波法中的LDA+U的方法对稀土(Ce,Gd)掺杂CdS的光电性质进行了计算与分析. 结果表明: Ce, Gd掺杂后, CdS的晶格常数增大, 费米面附近的能带明显增多、变密, 禁带宽度有所增大. Ce和Gd的f态的强局域性使体系产生磁有序性. 稀土掺杂后CdS的静态介电常数增大而反射率明显降低. 以上结果表明稀土元素的掺入能有效调制CdS的光电性质.     

稀土(Ce,Gd)掺杂CdS的第一性原理研究

采用第一性原理赝势平面波法中的LDA+U的方法对稀土(Ce,Gd)掺杂CdS的光电性质进行了计算与分析.结果表明:Ce,Gd掺杂后,CdS的晶格常数增大,费米面附近的能带明显增多、变密,禁带宽度有所增大.Ce和Gd的f态的强局域性使体系产生磁有序性.稀土掺杂后CdS的静态介电常数增大而反射率明显降低.以上结果表明稀土元素的掺入能有效调制CdS的光电性质.     

稀土（Ce,Gd）掺杂CdS的第一性原理研究

采用第一性原理赝势平面波法中的LDA+U的方法对稀土(Ce,Gd)掺杂CdS的光电性质进行了计算与分析. 结果表明: Ce, Gd掺杂后, CdS的晶格常数增大, 费米面附近的能带明显增多、变密, 禁带宽度有所增大. Ce和Gd的f态的强局域性使体系产生磁有序性. 稀土掺杂后CdS的静态介电常数增大而反射率明显降低. 以上结果表明稀土元素的掺入能有效调制CdS的光电性质.     

磷、铋掺杂半导体锗光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算,研究了不同浓度N型掺杂锗的电子结构和光学性质.掺杂元素分别为磷和铋,并对掺杂后的电子态密度和光学性质进行计算、分析.计算结果表明:N型掺杂会使得费米能级向导带方向移动.在低能区段,介电函数、折射率和吸收系数都受到影响,但到高能区后只有消光系数和吸收系数会被影响;反射率在整个能区都受影响,在中能区掺杂会使反射率提高,在低、高能区会减弱反射率;对损失函数的影响是掺杂浓度越高、损耗峰越小、峰值出现处能量越高.研究结果对N型掺杂半导体锗的光学应用具有一定的指导意义,可以根据上述结论有针对性地调节掺杂浓度和能量范围.     

Electronic and optical properties of pure and Mo doped anatase TiO2 using GGA and GGA+U calculations

Comparative GGA and GGA+U calculations for pure and Mo doped anatase TiO₂ are performed based on first principle theory, whose results show that GGA+U calculation provide more reliable results as compared to the experimental findings. The direct band gap nature of the anatase TiO₂ is confirmed, both by using GGA and GGA+U calculations. Mo doping in anatase TiO₂ narrows the band gap of TiO₂ by introducing Mo 4d states below the conduction band minimum. Significant reduction of the band gap of anatase TiO₂ is found with increasing Mo doping concentration due to the introduction of widely distributed Mo 4d states below the conduction band minimum. The increase in the width of the conduction band with increasing doping concentration shows enhancement in the conductivity which may be helpful in increasing electron–hole pairs separation and consequently decreases the carrier recombination. The Mo doped anatase TiO₂ exhibits the n-type characteristic due to the shifting of Fermi level from the top of the valence band to the bottom of the conduction band. Furthermore, a shift in the absorption edge towards visible light region is apparent from the absorption spectrum which will enhance its photocatalytic activity. All the doped models have depicted visible light absorption and the absorption peaks shift towards higher energies in the visible region with increasing doping concentration. Our results describe the way to tailor the band gap of anatase TiO₂ by changing Mo doping concentration. The Mo doped anatase TiO₂ will be a very useful photocatalyst with enhanced visible light photocatalytic activity.     

Electronic properties of anatase TiO2 doped by lanthanides: A DFT+U study

The effects of mono-doping of 4f lanthanides with and without oxygen vacancy defect on the electronic structures of anatase TiO₂ have been studied by first-principles calculations with DFT+U (DFT with Hubbard U correction) to treat the strong correlation of Ti 3d electrons and lanthanides 4f electrons. Our results revealed that dopant Ce is easy to incorporate into the TiO₂ host by substituting Ti due to its lower substitutional energy (∼−2.0 eV), but the band gap of the system almost keeps intact after doping. The Ce 4f states are located at the bottom of conduction band, which mainly originates from Ti 3d states. The magnetic moment of doped Ce disappears due to electron transfer from Ce to the nearest O atoms. For Pr and Gd doping, their substitutional energies are similar and close to zero, indicating that both of them may also incorporate into the TiO₂ host. For Pr doping, some 4f spin-down states are located next to the bottom of the conduction band and narrow the band gap of the doping system. However, for Gd doping, the 4f states are located in deep valence band and there is no intermediate band in the band gap. The magnetic moment of dopant Gd is close to the value of isolated Gd atom (∼7 μB), indicating no overlapping between Gd 4f with other orbitals. For Eu, it is hard to incorporate into the TiO₂ host due to its very higher substitutional energy. The results also indicated that oxygen vacancy defect may enhance the adsorption of the visible light in Ln-doped TiO₂ system.