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.     

Cu-N共掺β-Ga2O3的光电性质的第一性原理计算

基于密度泛函理论,本文通过OTFG赝势方法计算了本征β-Ga₂O₃以及Cu-N共掺后β-Ga₂O₃的晶格常数、电子结构以及光学特性.计算结果表明本征β-Ga₂O₃的禁带宽度为4.5 eV;Cu和N掺入β-Ga₂O₃后属于受主杂质,并且引入了深受主能级,这表明Cu-N共掺后β-Ga₂O₃变为p型半导体材料;光学性质计算结果表明本征β-Ga₂O₃的静介电函数为2.5,掺杂后β-Ga₂O₃的静介电函数增大,对电荷的存储能力增强;此外,Cu-N的共掺对β-Ga₂O₃的吸收系数、反射率在能量较低的区域的影响较大,而对能量较高的区域影响较小.     

点缺陷对单层MoS_2电子结构及光学性质的影响研究

采用基于第一性原理的贋势平面波方法,对不同类型点缺陷单层Mo S2电子结构、能带结构、态密度和光学性质进行计算.计算结果表明:单层Mo S2属于直接带隙半导体,禁带宽度为1.749e V,Mo空位缺陷V-Mo的存在使得单层Mo S2转化为间接带隙Eg=0.660e V的p型半导体,S空位缺陷V-S使得Mo S2带隙变窄为Eg=0.985e V半导体,S原子替换Mo原子S-Mo反位缺陷的存在使得Mo S2转化为带隙Eg=0.374e V半导体;Mo原子替换S原子Mo-S反位缺陷形成Eg=0.118e V直接带隙半导体.费米能级附近的电子态密度主要由Mo的4d态和s的3p态电子贡献.光学性质计算表明:空位缺陷对Mo S2的光学性质影响最为显著,可以增大Mo S2的静态介电常数、折射率n0和反射率,降低吸收系数和能量损失.     

Rb吸附石墨烯纳米带电子性质和光学性质的研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法了计算了Rb、O和H吸附石墨烯纳米带的差分电荷密度、能带结构、分波态密度和介电函数，调制了石墨烯纳米带的电子性质和光学性质，给出了不同杂质影响材料光学特性的规律.结果表明本征石墨烯纳米带为n型直接带隙半导体且带隙值为0.639 eV；Rb原子吸附石墨烯纳米带之后变为n型简并直接带隙半导体，带隙值为0.494eV；Rb和O吸附石墨烯纳米带变为p型简并直接带隙半导体，带隙值增加为0.996eV；增加H吸附石墨烯纳米带后，半导体类型变为n型直接带隙半导体，且带隙变为0.299eV，带隙值相对减小，更有利于半导体发光器件制备.吸附Rb、O和H原子后，石墨烯纳米带中电荷密度发生转移，导致C、Rb、O和H之间成键作用显著.吸附Rb之后，在费米能级附近由C-2p、Rb-5s贡献；增加O原子吸附之后，O-2p在费米能级附近贡献非常活跃，杂化效应使费米能级分裂出一条能带；再增加H原子吸附之后，Rb-4p贡献发生蓝移，O-2p在费米能级附近贡献非常强，费米能级分裂出两条能带.Rb、O和H的吸附后，明显调制了石墨烯纳米带的光学性质.     

CuI晶体及其缺陷态电子结构的模拟

利用相对论密度泛函理论和嵌入分子团簇方法,模拟计算了具有闪锌矿结构的γ态CuI晶体及其缺陷态的电子结构。结果显示晶体的本征能级结构:价带顶主要由I5p和Cu3d轨道杂化组成,导带底由Cu4s轨道组成,禁带宽度为3.1eV,该结果与实验相符。在不同缺陷态的计算中,四面体间隙铜缺陷相对其他间隙缺陷更易于在晶体中形成,其中Cu3d→4s跃迁能量为3.2eV,推测与CuI晶体发光密切相关。     

Si(001)面上外延生长的Ru2 Si3电子结构及光学性质研究

基于第一性原理的赝势平面波方法,对异质外延关系为Ru2Si3(100)//Si(001),取向关系为Ru2Si3[010]//Si[110]正交相的Ru2Si3平衡体系下能带结构、态密度和光学性质等进行了理论计算.计算结果表明:当1.087 nm≤a≤1.099 nm时,正交相Ru2Si3的带隙值随着晶格常数a取值的增大而增大.当a取值为1.093 nm时,体系处于稳定状态,此时Ru2Si3是具有带隙值为0.773 eV的直接带隙半导体.Ru2Si3价带主要是由Si的3p,3s态电子及Ru 4d态电子构成;导带主要由Ru的4d及Si的3p态电子构成.外延稳定态及其附近各点处Ru2Si3介电函数的实部和虚部变化趋势基本一致,但外延稳定态Ru2Si3介电函数的曲线相对往低能区漂移,出现的介电峰减少且峰的强度明显增强.     

高压下β-BaCu_2S_2电子结构和光学性质的第一性原理研究

本文采用密度泛函理论方法对β-BaCu_2S_2的电子结构和光学性质进行了理论计算和分析.优化后的晶格常数与实验值符合良好.通过能带分析表明该晶体是一种直接带隙半导体,得出的带隙值为0.562 e V,与其他理论计算方法得出的结果接近.对介电函数的计算表明β-BaCu_2S_2是一种各向异性材料,随着压强的增大,介电函数虚部向高能区域移动,且峰值变高.计算所得静折射率的平方近似于静介电常数,与理论公式符合良好.随着压强的增加,晶体的光学常数如吸收系数、反射率、折射率和能量损失函数曲线均向光子能量增大的方向移动.研究表明加压是改变β-BaCu_2S_2晶体电子结构、调制光学性质的有效手段.     

硫钒铜矿化合物电子结构和电致变色特性的第一原理研究

基于密度泛函的第一原理赝势平面波方法，计算晶体结构、电子结构和光学性质，研究硫钒铜矿化合物Cu₃VS₄、Cu₃NbS₄和Cu₃TaS₄的电子输运及电致变色特性，探讨作为透明半导体材料应用于太阳能电池和电致变色器件的可能性.电子结构的计算表明这类化合物是间接带隙半导体，其电子能带的导带底和价带顶分别位于布里渊区的X点和R点.价带顶的电子本征态主要来自于Cu原子的d电子轨道，而导带底电子态主要来源于VB族元素原子的d电子轨道.能带结构、电荷布居分析、电子局域化函数和光吸收及反射谱的计算表明这些硫钒铜矿化合物属于极性共价半导体，具有较高的电荷迁移率和优良的电致变色特性，可应用于高效电致变色器件.     

基于第一性原理的钙钛矿材料空位缺陷研究

为了获得优异的钙钛矿材料,本文系统地研究有机-无机杂化钙钛矿材料(CH3NH3PbI3)的电子结构和光学特性,同时探究了空位缺陷对其光学性质的影响。首先,采用Materials Studio软件构建本征钙钛矿材料的电子结构,并基于广义梯度近似的方法(GGA)和Perdew-Burker-Ernzerhof (PBE)泛函,优化其电子结构并计算本征钙钛矿材料的电学和光学特性。通过采用范德华力修正,解决了密度泛函理论低估带隙的问题,得到准确的带隙。其次,研究不同的空位缺陷(Pb空位和I空位缺陷)对钙钛矿材料的电子结构的影响,并计算其能带、态密度和光学性质。最后通过对比本征钙钛矿材料和空位缺陷的钙钛矿材料特性,从微观机理研究空位缺陷对其光学性质的影响。结果表明:本征钙钛矿材料带隙为1. 52 e V,这与实验测得的带隙值基本吻合;同时研究发现Pb空位缺陷会导致钙钛矿呈偏P型材料; I空位缺陷会导致钙钛矿呈偏N型材料。空位缺陷能够有效地改变钙钛矿材料的介电函数和光吸收谱,对于钙钛矿材料的研究及在光电器件领域的应用具有重要的理论价值。     

点缺陷对单层MoS2电子结构及光学性质的影响研究

采用基于第一性原理的贋势平面波方法,对不同类型点缺陷单层MoS2电子结构、能带结构、态密度和光学性质进行计算。计算结果表明：单层MoS2属于直接带隙半导体,禁带宽度为1.749ev,V-Mo缺陷的存在使得MoS2转化为间接带隙Eg=0.671eV的p型半导体,V-S缺陷MoS2的带隙变窄为Eg=0.974eV,S-Mo缺陷的存在使得MoS2转化为间接带隙Eg=0.482eV; Mo-S缺陷形成Eg=0.969eV直接带隙半导体,费米能级上移靠近价带。 费米能级附近的电子态密度主要由Mo的4d态和s的3p态电子贡献。光学性质计算表明：空位缺陷对MoS2的光学性质影响最为显著,可以增大MoS2的静态介电常数、折射率n0和反射率,降低吸收系数和能量损失。     

纤锌矿ZnO：Cu体系空位缺陷的电磁特性理论研究

ZnO:Cu体系具有p型导电性并出现室温铁磁性,但是对于其磁性来源还颇有争议.用Cu掺杂ZnO晶体容易增加空位缺陷产生的几率,从而使ZnO:Cu体系产生磁性.因此,本文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ZnO:Cu及其本征空位缺陷体系进行了理论研究,分别计算分析了ZnO:Cu超晶胞中相对Cu为近邻、次近邻、远近邻位置锌空位和氧空位的出现后体系的晶格结构、形成能、能带结构、态密度以及磁矩,以便准确合理地对其电磁特性进行判定.结果表明,ZnO:Cu远近邻VZn容易形成且其费米能级附近态密度较无缺陷体系增大,导电性增强;而含VO的缺陷体系禁带远远增大且变为间接带隙半导体,其费米能级处的态密度几乎不变或微弱减小,导电性无增强.Cu近邻VZn和VO的引入会导致ZnO:Cu掺杂系统的磁性相几乎或完全消失,但较远VO的出现无法显著改变磁性,较远VZn的出现使体系磁性增强.因此,在实验过程中要实现ZnO:Cu掺杂体系的良好电磁特性,应尽量避免Cu近邻VZn和VO的出现,而有效利用远近邻锌空位缺陷.     

FDTD analysis of 12-fold photonic quasi-crystal central pattern localized states

The TM bandgap features of the 2D 12-fold quasi-crystal are examined based on the width of the dielectric strip and pattern central symmetry location within the quasi-crystal. Results indicate that the bandgap properties observed for a particular fill factor is independent of the rotational symmetry center when the dielectric strip is wide, and still observable when the strip width is considerably reduced, confirming the general belief that the bandgap generating properties of the quasi-crystal are a local dielectric effect for the lower frequency band. Thin strips are shown to posses defect states in the bandgap region of the thicker equivalent strips, defect states analogous to intentionally introduced defect states of translational symmetric photonic crystals. We explore the mode profiles of the defect state when the defect is coincidental with the rotational symmetry central pivot point of the quasi-crystal pattern. In addition we show that the rotational center “defect” may be used to enhance the optical guidance of light around a 90° bend in a waveguide implanted in the quasi-crystal.     

La掺杂3C-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,对未掺杂及稀土材料La掺杂3C-SiC的电子结构和光学性质进行理论计算.计算结果表明,La掺杂引起3C-SiC晶格体积增大,掺杂体系能量更小,掺杂体系的结构更稳定;未掺杂3C-SiC是直接带隙半导体,其禁带宽度为1.406 eV,La掺杂后带隙宽度下降为1.161 eV,La掺杂3C-SiC引入了3条杂质能级,能量较高的1条杂质能级与费米能级发生交叠,另外2条杂质能级都在费米能级以下价带顶之上,La掺杂引起3C-SiC吸收谱往低能区移动,未掺杂3C-SiC的静态介电常数为2.66,La掺杂引起静态介电常数增加为406.01,La掺杂3C-SiC是负介电半导体材料.     

Ab Initio Comparative Study of Zincblende and Wurtzite ZnO

By employing the first-principles pseudopotential plane-wave method, the physical properties of zincblende ZnO are investigated in comparison with those of the common wurtzite structure. Zincblende ZnO is predicted to be a direct gap semiconductor. Compared to the wurtzite structure, the zincblende ZnO is characterized by smaller bandgap and pressure coefficient, larger electron effective mass, increasing static dielectric constants and more covalent bonding. Furthermore, the optical properties including dielectric function and energy loss function of zincblende ZnO were obtained and analysed with some features. These aspects reveal promising applications of zincblende ZnO in optoelectronic devices.     

Mg_2Ge吸收系数和能量损失函数的第一性原理计算

应用密度泛函理论框架下的第一性原理超软赝势平面波方法系统地计算了Mg_2Ge基态的电子结构、电子态密度、弹性常数以及主要光电性质.计算结果表示Mg_2Ge是一种间接带隙半导体,禁带宽度为0.2136 eV;其价带主要由Ge的4s,4p态电子组成,导带则主要由Mg的3s,3p以及Ge的4p态电子组成;静态介电常数ε_1(0)=25.294;折射率n_0=4.5043;吸收系数最大峰值为396560.9 cm~(-1);通过计算弹性常数解释了Mg_2Ge的脆性;并分析了所计算的Mg_2Ge光电性质和其能带结构,为Mg_2Ge提供了在光电应用领域的理论依据和实验指导.     

Effect of impurity concentration on optical and magnetic properties in ZnS:Cu nanoparticles

To obtain enhanced room temperature ferromagnetism (RTFM) along with the increase in optical bandgap in the compound semiconductors has been an interesting topic. Here, we report RTFM along with increase in energy bandgap in chemically synthesized Zn_1−xCu_xS (0 ≤ x ≤ 0.04) DMS nanoparticles. Structural properties of the synthesized samples studied by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) show the formation of cubic phase Cu doped ZnS nanoparticles of ~3–5 nm size. An intrinsic weak ferromagnetic behavior was observed in pure ZnS sample (at 300 K) which got increased in Cu doped samples and was understood due to defect induced ferromagnetism. UV–vis measurement showed increase in the energy bandgap with the increase in Cu doping. The PL study suggested the presence of sulfur and zinc vacancies and surface defects which were understood contributing to the intrinsic FM behavior.     

Evaluation of Charged Defect Energy in Two-Dimensional Semiconductors for Nanoelectronics: The WLZ Extrapolation Method

Defects play a central role in controlling the electronic properties of two-dimensional (2D) materials and realizing the industrialization of 2D electronics. However, the evaluation of charged defects in 2D materials within first-principles calculation is very challenging and has triggered a recent development of the WLZ (Wang, Li, Zhang) extrapolation method. This method lays the foundation of the theoretical evaluation of energies of charged defects in 2D materials within the first-principles framework. Herein, the vital role of defects for advancing 2D electronics is discussed, followed by an introduction of the fundamentals of the WLZ extrapolation method. The ionization energies (IEs) obtained by this method for defects in various 2D semiconductors are then reviewed and summarized. Finally, the unique defect physics in 2D dimensions including the dielectric environment effects, defect ionization process, and carrier transport mechanism captured with the WLZ extrapolation method are presented. As an efficient and reasonable evaluation of charged defects in 2D materials for nanoelectronics and other emerging applications, this work can be of benefit to the community.     

GaN结构相变、电子结构和光学性质

运用第一性原理平面波赝势和广义梯度近似方法,对纤锌矿结构和氯化钠结构GaN的状态方程及其在高压下的相变进行计算研究,分析相变点附近的电子态密度、能带结构和光学性质的变化机制.通过状态方程和焓相等原理得到GaN从纤锌矿到氯化钠结构的相变压强分别为43.9 Gpa和46.0 Gpa;在相变的过程中,GaN由典型的直接带隙半导体转变为间接带隙半导体材料;氯化钠结构GaN相比于纤锌矿结构,介电函数主峰值增强,本征吸收边明显往高能方向移动,氯化钠结构GaN在低能区域的光学性质差于纤锌矿结构.