Mg,O共掺杂实现p型AlN的第一性原理研究

采用密度泛函理论下的第一性原理平面波超软赝势方法研究了纤锌矿本征AlN,Mg单掺杂AlN和Mg,O共掺杂AlN体系的晶格参数、能带结构、电子态密度、差分电荷密度及电子布居数.计算结果显示:在Mg,O共掺杂AlN体系中,激活施主O原子的引入能使受主能级降低,形成浅受主掺杂.同时,体系的非局域化特征显著,受主能带变宽.因而提高了Mg原子的受主掺杂浓度和系统的稳定性.Mg,O共掺杂更有利于制备p型AlN.     

运用第一性原理研究氧化锌电阻阀片中氧空位与掺杂条件下ZnO晶体电学性质

为了比较Nb_2O_5、MnO_2、MgO三种添加剂对氧化锌电阻阀片电学性能影响,在微观层面模拟Nb、Mn、Mg三种元素分别掺杂ZnO完整超晶胞和带有氧空位缺陷的ZnO超晶胞,并运用第一性原理分析掺杂晶胞的特性.本文计算了晶体结构、掺杂形成能、氧空位形成能、能带结构、态密度、载流子迁移率、电导率等.结果表明,掺入Nb原子的掺杂体系晶格体积最大,Mg掺杂体系的形成能最大,稳定性最弱,Nb掺杂氧空位形成能最低,更容易引入氧空位.Nb掺杂的ZnO超晶胞禁带宽度最小,氧空位缺陷增大掺杂晶体的禁带宽度.在相同掺杂浓度和同等条件下,Mn掺杂的晶体电导率最高.     

Mg掺杂CuAlO2电子结构的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了CuAlO2晶体电子结构以及替位Mg杂质的特性。结果表明,Mg替代Al原子时形成受主杂质能级,而替代Cu原子时形成施主杂质能级;同时也计算了它们的形成能,发现前者是吸热反应,而后者是放热反应。另外,比较Mg替代Al与Mg替代Cu掺杂前后计算结果,发现前者费米能级变化不是很明显;而后者掺杂后费米能级明显向导带底移动。研究表明掺杂可改变CuAlO2的导电类型和电导强弱,此结果对实验具有很好的参考价值。     

Mg-F受主-施主共掺SnO_2的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波赝势法,研究了Mg-F受主-施主共掺杂SnO_2的结构稳定性、能带结构、态密度及布居分布.结果表明,Mg-F掺杂能形成稳定的掺杂体系,在价带顶附近F 2p的态密度峰值强度较大,Mg-F原子之间杂化强,引入施主掺杂元素F有利于Mg受主掺杂的稳定性,同时Mg-O之间电子重叠布居值增大,原子之间的重叠增加,共有化增强,可使导电性能进一步提升.     

Be, O共掺杂实现p型AlN的第一性原理研究

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,研究了掺杂和非掺杂AlN体系的晶格参数、 能带结构、总体态密度、分波态密度、差分电荷分布及电荷集居数.计算结果表明: Be掺杂AlN晶体能够在能隙中形成深受主能级,空穴载流子局域于价带顶, 而引入了激活施主O原子的Be, O共掺杂方法,能使受主能带变宽、非局域化特征明显. 同时,受主能级向低能方向移动,形成了浅受主能级, 从而提高了Be原子的掺杂浓度和系统的稳定性. Be, O共掺杂更有利于获得p型AlN.     

二价金属元素掺杂对LiCoO2体系电子输运性质的影响

为了解释Ca掺杂与Mg掺杂在影响锂离子二次电池正极材料LiCoO2体系电子输运性质方面的不同效应,采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了该体系的电子结构.计算结果表明,虽然在LiCoO2体系中用Ca或Mg替代Co都会在费米能级附近产生部分占据的受主带,但两者对应的电子态都具有明显的局域化特征;此外,与Mg掺杂体系明显不同的是,Ca掺杂体系的受主带与价带之间存在清晰的带隙.这一带隙的存在正是Ca掺杂不能明显提高LiCoO2体系电导率的主要原因.此外,Ca2+与Mg2+离子半径的较大差别也是造成这两个掺杂体系的电导率存在明显差异的一个重要因素.     

掺杂对金属-MoS_2界面性质调制的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,计算了卤族元素掺杂对金属-MoS_2界面性质的影响,包括缺陷形成能、电子能带结构、差分电荷密度以及电荷布居分布.计算结果表明:卤族元素原子倾向于占据单层MoS_2表面的S原子位置;对于单层MoS_2而言,卤族元素的掺杂将在禁带中引入杂质能级以及导致费米能级位置的移动.对于金属-MoS_2界面体系,结合Schottky-Mott模型,证明了卤族元素的掺杂可以有效地调制金属-MoS_2界面间的肖特基势垒高度.发现F和Cl原子的掺杂将会降低体系的肖特基势垒高度.相比之下,Br和I原子的掺杂却增大了体系的肖特基势垒高度.通过差分电荷密度和布居分布的分析,阐明了肖特基势垒高度的被调制是因为电荷转移形成的界面偶极矩的作用导致.研究结果解释了相关实验现象,并给二维材料的器件化应用提供了调节手段.     

氧化锌中中性氮杂质第一性原理研究

以第一性原理计算为基础,研究了氧化锌中中性氮杂质的原子和电子结构、缺陷形成能等．根据计算结果,氮杂质为深受主,因此对氧化锌的p型导电性没有贡献．在各种中性氮杂质中,替代氧位的氮有最低的形成能和最浅的受主能级,在富氧条件下替代锌位的氮的形成能次之．氮间隙在四面体位置不稳定,会自动弛豫到kick-out结构．尽管氮可能会占据八面体间隙位置,但由于形成能过高因此其浓度会较低．同时还讨论了各种掺杂情形下的电荷密度分布,得到了自洽的结果.     

B-N共掺杂改善p型ZnO的理论分析

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势法对B缺陷在ZnO中的存在形式进行了理论分析,对B-N共掺杂ZnO体系的晶格结构、杂质形成能、杂质态密度及电子结构进行了系统的研究.研究表明,B缺陷在掺杂体系中主要以BZn的形式存在,这种结构会引起相应的晶格收缩;研究发现与以往的N掺杂相比,共掺结构具有更低的杂质形成能和更高的化学稳定性,因此更加适合掺杂.此外,共掺能够形成更低的受主能级,因而减小了受主的杂质电离能,提高了受主态密度;研究显示共掺结构下的杂质N原子与体相Zn原子之间的键合能力提高,受主原子得电子的能力增强,因此B-N共掺有望成为一种更为有效的p型掺杂手段.     

第一性原理研究Be-S共掺杂AlN纳米片的电子结构和光学性质

基于密度泛函理论体系下广义梯度近似(GGA),利用第一性原理方法计算了Be替代Al、S替代N和Be-S共掺杂对氮化铝纳米片的电子结构和光学性质的影响.计算结果表明,掺杂改变了氮化铝纳米片的带隙,但仍显示半导体特性. Be掺杂类型对氮化铝纳米片的晶体结构影响不大,而S掺杂和Be-S共掺杂都使得氮化铝纳米片有不同程度的弯曲.同时Be-S共掺杂中S原子起到激活受主杂质Be原子的作用,使得受主能级向低能方向移动.共掺杂比单掺杂具有更高的受主原子浓度,并减小局域化程度.光学性质也发生较大改变:S原子掺杂氮化铝纳米片的介电函数虚部出现第二介电峰,Be掺杂和Be-S共掺杂使得损失谱的能量区间有所展宽,峰值降低并向高能区移动.     

V,Cr,Mn掺杂MoS2磁性的第一性原理研究

基于第一性原理的自旋极化密度泛函理论分别研究了过渡金属V, Cr, Mn掺杂单层MoS₂的电子结构、 磁性和稳定性. 结果表明: V和Mn单掺杂均能产生一定的磁矩, 而磁矩主要集中在掺杂的过渡金属原子上, Cr单掺杂时体系不显示磁性. 进一步讨论双原子掺杂MoS₂ 体系中掺杂原子之间的磁耦合作用发现, Mn掺杂的体系在室温下显示出稳定的铁磁性, 而V掺杂则表现出非自旋极化基态. 形成能的计算表明Mn掺杂的MoS₂体系相对V和Cr 掺杂结构更稳定. 由于Mn掺杂的MoS₂ 不仅在室温下可以获得比较好的铁磁性而且其稳定性很高, 有望在自旋电子器件方面发挥重要的作用. 关键词： 2')" href="#">单层MoS₂ 掺杂 铁磁态 第一性原理     

Band-gap bowing and p-type doping of (Zn,Mg, Be)O wide-gap semiconductor alloys: a first-principles study

Using a first-principles band-structure method and a special quasirandom structure (SQS) approach, we systematically calculate the band gap bowing parameters and p-type doping properties of (Zn, Mg, Be)O related random ternary and quaternary alloys. We show that the bowing parameters for ZnBeO and MgBeO alloys are large and dependent on composition. This is due to the size difference and chemical mismatch between Be and Zn(Mg) atoms. We also demonstrate that adding a small amount of Be into MgO reduces the band gap indicating that the bowing parameter is larger than the band-gap difference. We select an ideal N atom with lower p atomic energy level as dopant to perform p-type doping of ZnBeO and ZnMgBeO alloys. For N doped in ZnBeO alloy, we show that the acceptor transition energies become shallower as the number of the nearest neighbor Be atoms increases. This is thought to be because of the reduction of p-d repulsion. The N_O acceptor transition energies are deep in the ZnMgBeO quaternary alloy lattice-matched to GaN substrate due to the lower valence band maximum. These decrease slightly as there are more nearest neighbor Mg atoms surrounding the N dopant. The important natural valence band alignment between ZnO, MgO, BeO, ZnBeO, and ZnMgBeO quaternary alloy is also investigated.     

量子限制受主的光致发光研究

对一系列δ掺杂浅受主铍（Be）原子的GaAs/AlAs多量子阱和均匀掺杂Be受主的GaAs体材料中Be原子的能级间跃迁进行了光致发光（PL）研究.实验中所用的样品是通过分子束外延技术生长的均匀掺杂Be受主的GaAs外延单层样品和一系列GaAs/AlAs多量子阱样品,并在每量子阱中央进行了Be原子的δ掺杂,量子阱宽度为30 到200 ?.在4.2 K温度下测量了上述系列样品的光致发光谱,清楚地观察到了束缚激子的受主从基态1s_3/2（Γ₆）到第一激发态 关键词： 量子限制受主 光致发光 多量子阱 δ掺杂     

Magnetic properties of AlN monolayer doped with group 1A or 2A nonmagnetic element: First-principles study

The electronic structure, magnetic properties, and mechanism of magnetization in two-dimensional(2D) aluminum nitride(AlN) monolayer doped with nonmagnetic elements of group 1A(Li, Na, K) or group 2A(Be, Mg, Ca) were systematically investigated using first-principles studies. Numerical results reveal that the total magnetic moments produced by group 1A and group 2A nonmagnetic doping are 2.0μB and 1.0μB per supercell, respectively. The local magnetic moments of the three N atoms around the doping atom are the primary moment contributors for all these doped AlN monolayers. The p orbital of the dopant atom contributes little to the total magnetic moment, but it influences adjacent atoms significantly, changing their density of states distribution, which results in hybridization among the p orbitals of the three closest N atoms, giving rise to magnetism. Moreover, the doped AlN monolayer, having half-metal characteristics,is a likely candidate for spintronic applications. When two group 1A or group 2A atoms are inserted, their moments are long-range ferromagnetically coupled. Remarkably, the energy of formation shows that, if the monolayer has been grown under N-rich conditions, substitution of a group 2A atom at an Al site is easier than substitution of a group 1A atom.     

Probing structural and electronic properties of divalent metal Mgn+1 and SrMgn (n=2–12) clusters and their anions

Divalent metal clusters have received great attention due to the interesting size-induced nonmetal-to-metal transition and fascinating properties dependent on cluster size,shape,and doping.In this work,the combination of the CALYPSO code and density functional theory(DFT)optimization is employed to explore the structural properties of neutral and anionic Mg_n+1 and SrMgn(n=2-12)clusters.The results exhibit that as the atomic number of Mg increases,Sr atoms are more likely to replace Mg atoms located in the skeleton convex cap.By analyzing the binding energy,second-order energy difference and the charge transfer,it can be found the SrMg9 cluster with tower framework presents outstanding stability in a studied size range.Further,bonding characteristic analysis reveals that the stability of SrMg9 can be improved due to the strong s-p interaction among the atomic orbitals of Sr and Mg atoms.     

Theoretical Studies on Defects of Kaolinite in Clays

Using the first-principles methods, we study the formation energeties and charge doping properties of the extrinsic substitutional defects in kaolinite. Especially, we choose Be, Mg, Ca, Fe, Cr, Mn, Cu, Zn as extrinsic defects to substitute for Al atoms. By systematically calculating the impurity formation energies and transition energy levels, we find that all group-Ⅱ defects introduce the relative shallow transition energy levels in kaolinite. Among them, MgAl has the shallowest transition energy level at 0.08 eV above the valence band maximum. The transition- elemental defects FeAl, CrAl, and MnAl are found to have relative low formation energies, suggesting their easy formation in kaolinite under natural surrounding conditions. Our calculations show that the defects CuAl and ZnAl have the high formation energies and deep transition energy levels, which exclude the possibility of their formation in natural kaolinite.     

Li掺杂对MgH2(001)表面H2分子扩散释放影响的第一性原理研究

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理分别研究了MgH₂(001)表面H原子扩散形成H₂分子释放出去的可能路径及金属Li原子掺杂对其影响. 研究结果表明: 干净MgH₂(001)表面第一层释放H原子形成H₂分子有两种可能路径, 其释放能垒分别为2.29和2.50 eV; 当将Li原子替代Mg原子时, 两种H原子扩散释放路径的能垒分别降到了0.31和0.22 eV, 由此表明Li原子掺杂使MgH₂(001)表面H原子扩散形成H₂释放更加容易.     

Ag-N共掺p型ZnO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法对Ag-N共掺杂ZnO体 系以及间隙N和间隙H掺杂p型ZnO: (Ag, N)体系的缺陷形成能和离化能进行了研究. 结果表明, 在Ag_Zn和N_O所形成的众多受主复合体中, Ag_Zn-N_O受主对不仅具有较低的缺陷形成能同时其离化能也相对较小, 因此, Ag_Zn-N_O受主对的形成是Ag-N共掺ZnO体系实现p型导电的主要原因. 研究发现, 当ZnO: (Ag, N)体系有额外间隙N原子存在时, Ag_Zn-N_O受主对容易与N_i形成Ag_Zn-(N₂)_{m O}施主型缺陷, 该施主缺陷的形成降低了Ag-N共掺ZnO的掺杂效率因而不利于p型导电. 当间隙H引入到ZnO: (Ag, N)体系时, H_i易与Ag_Zn-N_O受主对形成 受主-施主-受主复合结构(Ag_Zn-H_i-N_O), 此复合体的形成不仅提高了Ag_Zn-N_O受主对在ZnO中的固溶度, 同时还能使其受主能级变得更浅而有利于p型导电. 因此, H辅助Ag-N共掺ZnO可能是一种有效的p型掺杂手段. 关键词： p型ZnO 缺陷形成能 受主离化能 第一性原理     

Comparative study on beryllium and magnesium as a co-doping element for ZnO:N

Stable nitrogen doping is an important issue in p-type ZnO research for device applications.In this paper,beryllium and magnesium are systematically compared as a dopant in ZnO to reveal their nitrogen-stabilizing ability.Secondary ion mass spectrum shows that Be and Mg can both enhance the stability of nitrogen in ZnO while Be has a better performance.Zn 2p and O 1s electron binding energies change in both MgZnO and Be ZnO thin films.Donor-acceptor luminescence is observed in the BeZnO samples.We conclude that Be is a better co-doping element than Mg for p-type ZnO:N.     

Al,Fe, Mg掺杂Li2MnSiO4的电子结构和电化学性能的第一性原理研究

硅酸锰锂作为锂离子电池正极材料因具有高的理论电容量而一直备受关注, 但其较低的导电率和较差的循环性能阻碍了进一步的发展. 采用第一性原理广义梯度近似GGA+U的方法, 研究了Al, Fe, Mg掺杂Li₂MnSiO₄的电子结构、 脱嵌锂电压和导电性. 研究发现, Al 掺杂的Li₂Mn_0.5Al_0.5SiO₄结构中载流子的数目增加, 电子自旋向上和向下的态密度均穿过费米能级, 呈现金属特性, 提高了体系的导电率. 脱锂Li_xMnSiO₄ (x=1, 0)结构中, 通过计算一次脱锂相结构的形成能得到Al掺杂的一次脱锂结构最稳定, 并且Al掺杂的脱锂相结构体积变化小, 有利于材料循环性能的提高, 同时第一个锂离子脱嵌电压与未掺杂时(4.2 V)相比降低到2.7 V. Fe掺杂降低了Li₂MnSiO₄的带隙, 第一个锂离子脱嵌电压降低到3.7 V. 研究表明, Al的掺杂效果优于Fe和Mg, 更利于硅酸锰锂电化学性质的提高.