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Te-N共掺p型ZnO

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势法对Te-N共掺杂ZnO体系的晶格结构、 杂质态密度和电子结构进行了理论分析.研究表明, N掺杂引起晶格收缩,而Te的掺入引起晶格膨胀, 从而减小晶格应力促进N的掺杂,并且Te由于电负性小于O而带正电, Te在ZnO中作为等电子施主而存在.研究发现, N掺杂体系中在费米能级附件形成窄的深受主能级, 而Te-N共掺体系中, N杂质带变宽,空穴更加离域,同时,空穴有效质量变小,受主能级变浅, 更有利于实现p型特性.因此, Te-N共掺有望成为一种更为有效的p型掺杂手段.     

Nd、N掺杂ZnO的电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理,使用GGA+U方法计算出N、Nd分别单掺ZnO及N、Nd共掺ZnO晶体的形成能,能带结构,态密度及光学性质.经过对比发现:N、Nd各掺杂ZnO中,共掺体系比单掺体系更容易形成,其中低浓度掺杂难度更低;共掺体系随着掺杂浓度的升高,其畸变的强度就越强,禁带宽度变窄,电子跃迁到导带上所需的能量更小,光吸收系数较大,并且都产生了红移,光谱响应范围扩展到了整个可见光区域;共掺体系在低能区域的介电谱峰值较高,说明其极化能力较强,光生电场强度较大,会使光激发载流子在晶体内的迁移变快,对电荷的束缚能力增强.因此N、Nd共掺可以有效提升ZnO的光催化性和极化能力.     

(Zn,Al)O电子结构第一性原理计算及电导率的分析

采用第一性原理平面波赝势方法和广义梯度近似计算了ZnO与(Zn,Al)O的电子结构.结合分子轨道理论,从原子布居、键布居、能带结构和态密度角度分析了掺Al前后ZnO的成键情况及对电子间相互作用的影响.利用第一性原理计算结果理论推导计算了(Zn,Al)O的载流子浓度并进一步分析了ZnO电导率的变化情况.与实验结果比较可知,掺Al后ZnO载流子浓度增加,并且ZnO的电导率比未掺杂时有了显著的提高. 关键词： 第一性原理 电子结构 电导率 (Zn Al)O     

V-N共掺纤锌矿ZnO光催化性质的第一性原理研究

基于第一性原理的密度泛函理论对V, N单掺杂和V-N共掺杂ZnO的电子结构和光学性质进行了对比研究. 结果表明:三种掺杂均在可见光区域出现光吸收增强的现象, 其中V-N共掺最为明显; 结合能的计算发现V-N共掺的ZnO体系相对V, N单掺而言结构更稳定, 因此V-N共掺的ZnO是一种稳定而有效的光催化剂. 进一步研究表明, 阴-阳离子共掺的形式可以很好地应用于光电化学领域, 并可以制备出高性能稳定的短波光电材料. 关键词： 基于ZnO的光催化剂 电子结构 光催化性质     

Sc与C共掺杂MgS电子结构与光学性质的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法,对Sc、C单掺以及共掺MgS体系的稳定性、电子结构和光学性质进行了研究,结果表明:与本征MgS体系相比,掺杂后体系的结合能仍为负值,表明掺杂体系均处于稳定状态,其中Sc-C共掺MgS体系的结合能最小,说明Sc-C共掺体系最稳定.掺杂后体系的禁带宽度均减小,表明电子由价带跃迁至导带的能量减小;此外,掺杂体系在低能区均发生了明显的红移现象,表明Sc、C掺杂能够有效的拓宽体系对可见光的响应范围.其中,Sc-C-MgS体系在费米能级附近产生了杂质能级且带隙宽度较小,在可见光范围内的吸收系数最优,可推测Sc-C共掺杂可作为提高MgS体系光催化活性的有效手段.     

GGA+U方法研究不同浓度镧(La)与氮(N)掺杂纤锌矿ZnO的光学性质

本文运用基于密度泛函理论的GGA+U方法,计算了纯ZnO体系,La、N单掺ZnO体系及Zn_(1-x)La_xO_(0.875)N_(0.125)(x=0.125,0.25,0.375)三个共掺体系的电子结构和光学性质.计算结果表明,共掺体系中随着La浓度的增加,掺杂后体系的禁带宽度变小,电子跃迁所需能量减小,晶格畸变程度增大,有利于阻碍光生空穴和电子对的复合,吸收光谱吸收带边红移程度越来明显,覆盖了整个可见光区域.这些特征非常有利地说明共掺体系随La浓度的增加,其光催化功能和电学性能也在提升.     

Cu与非金属双受主能级协同作用对TiO_2光学特性的影响

采用基于密度泛函理论(DFT)体系下的第一性原理平面波超软赝势方法,研究纯锐钛矿相TiO_2在3 d金属杂质Cu与非金属杂质C、N、F单掺及共掺情况下受主能级的协同作用.模拟计算掺杂前后的晶体结构、结合能、缺陷形成能、能带结构、分态密度及光学性质.结果发现:Cu-N共掺杂体系和Cu、N单掺杂体系对可见光的利用比其它体系好.Cu-N共掺体系与Cu、N分别单掺体系相比,有更小的禁带宽度,且浅受主能级上出现了更大的态密度分布.对光学性质的研究发现,Cu-N共掺体系有最高的吸收系数和反射率,因此,该体系对可见光的利用效果最好.其原因是Cu与N元素分别产生受主能级协同作用导致对可见光的响应效果最理想.     

Mn-N共掺p型ZnO的第一性原理计算

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法对ZnO(Mn,N)体系的晶格结构、形成能、态密度以及电荷密度进行了计算和理论研究.研究结果表明,Mn和N共掺杂ZnO体系具有更低的杂质形成能和更高的化学稳定性,更加适合p型掺杂.Mn和N以1:2的比例掺杂时,体系的形成能降低,体系更稳定;同时,体系中形成双受主能级缺陷,使得杂质固溶度增大,体系中载流子数增多,p型化特征更明显.此外,研究发现相比于N单掺杂ZnO体系,Mn和N原子共掺杂ZnO体系有更多的杂质态密度穿越费米能级,在导带与价带之间形成更宽的受主N 2p的杂质态,同时空穴有效质量变小.与Mn-N共掺杂体系相比,Mn-2N共掺杂体系的受主杂质在费米能级附近的态密度更加弥散,非局域化特征明显.因此,Mn-N共掺杂有望成为p型掺杂的更有效的手段.     

Sc与C掺杂MgS电子结构与光学性质的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法,对Sc、C单掺以及共掺MgS体系的稳定性、电子结构和光学性质进行了研究,结果表明：与本征MgS体系相比,掺杂后体系的结合能仍为负值,表明掺杂体系均处于稳定状态,其中Sc-C共掺MgS体系的结合能最小,说明Sc-C共掺体系最稳定。掺杂后体系的禁带宽度均减小,表明电子由价带跃迁至导带的能量减小;此外,掺杂体系在低能区均发生了明显的红移现象,表明Sc、C掺杂能够有效的拓宽体系对可见光的响应范围。其中,Sc-C-MgS体系在费米能级附近产生了杂质能级且带隙宽度较小,在可见光范围内的吸收系数最优,可推测Sc-C共掺杂可作为提高MgS体系光催化活性的有效手段。     

Al-2N掺杂量对ZnO光电性能的影响

与本文相近的Al-2N掺杂量的范围内, 对ZnO掺杂体系吸收光谱分布红移和蓝移两种实验结果均有文献报道, 但是, 迄今为止对吸收光谱分布尚未有合理的理论解释. 为了解决该问题, 本文采用基于密度泛函理论的广义梯度近似 平面波超软赝势方法, 用第一性原理构建了两种不同掺杂量的Zn_0.98148Al_0.01852O_0.96296N_0.03704和Zn_0.96875Al_0.03125O_0.9375N_0.0625超胞模型. 在几何结构优化的基础上, 对模型能带结构分布、态密度分布和吸收光谱分布进行了计算. 计算结果表明, 在本文限定的掺杂量范围内, Al-2N掺杂量越增加, 掺杂体系的体积越减小, 体系总能量越升高, 体系稳定性越下降, 形成能越升高, 掺杂越难; 所有掺杂体系均转化为简并p型化半导体, 掺杂体系最小光学带隙均变窄,吸收光谱均发生红移; 同时发现掺杂量越增加, 掺杂体系最小光学带隙变窄越减弱, 吸收光谱红移越减弱. 研究表明: 要想实现Al-2N共掺在ZnO中最小光学带隙变窄、掺杂体系发生红移现象, 除了限制掺杂量外, 尺度长短也应限制; 其次, Al-2N掺杂量越增加,掺杂体系空穴的有效质量、浓度、 迁移率、电导率越减小,掺杂体系导电性能越减弱. 计算结果与实验结果的变化趋势相符合. 研究表明, Al-2N共掺在ZnO中获得的新型半导体材料可以用作低温端的温差发电功能材料.     

(Al,Ga,In)和2N择优位向重共掺对ZnO导电性能影响的研究

目前,虽然Zn1-xT Mx O1-y Ny(TM=Al,Ga,In)p型掺杂的理论计算研究已有报道,但是,掺杂均是随机的,没有考虑ZnO的非对称性进行择优位向掺杂.因此,本研究采用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,构建TM:N=1:2比例择优位向共掺,共设六种不同的Zn1-xT Mx O1-y Ny(TM=Al,Ga,In.x=0.03125,y=0.0625)超胞模型,并分别进行几何结构优化、态密度分布和能带结构分布的计算.结果表明,重掺杂条件下,择优位向共掺后,同类择优位向共掺的体系中,TM-N沿c轴方向成键体系的电导率大于垂直于c轴方向成键体系的电导率.不同类TM-N沿c轴方向成键共掺的体系中,In-N沿c轴方向成键共掺时ZnO的电导率最强,电离能最小,Bohr半径最大,In-N沿c轴方向成键共掺对ZnO p型导电更有利.因此,TM:N=1:2比例择优位向共掺,对设计和制备导电性能更强的ZnO功能材料具有一定的理论指导作用.     

Mn-Mg共掺杂AlON荧光粉制备及荧光性质

采用固相反应法成功合成了一系列Mn-Mg共掺的Al₂₃O₂₇N₅荧光粉。结果显示煅烧条件和Mn的掺杂浓度对Mn-Mg共掺的AlON荧光粉的制备和发光性质都有重要影响。获得纯相AlON的温度从未掺杂的1 900 ℃下降到10% Mn和10% Mg(摩尔分数)共掺杂的1 800 ℃。晶格参数随着Mn掺杂浓度升高而增加,说明Mn进入了AlON晶格中。未掺杂和Mg单掺以及10% Mn和10% Mg共掺杂样品的发射光谱都含有一个350～600 nm之间的宽带发射。绿光发射归属于Mn的3d电子之间的传输。蓝光发射可能与杂质或Al空位相关。     

新型稀磁半导体Mn掺杂LiZnAs的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法, 对纯LiZnAs, Mn掺杂的LiZnAs, Li过量和不足下Mn掺杂的LiZnAs体系进行几何结构优化, 计算并对比分析了体系的电子结构、半金属性、光学性质及形成能.结果表明新型稀磁半导体Li (Zn_0.875Mn_0.125) As, Li_1.1 (Zn_0.875Mn_0.125) As和Li_0.9 (Zn_0.875Mn_0.125) As均表现为100%自旋注入, 材料均具有半金属性, Li过量和不足下体系的半金属性明显增强. Li过量可以提高体系的居里温度, 改善材料的导电性, 使体系的形成能降低. 说明LiZnAs半导体可以实现自旋和电荷注入机理的分离, 磁性和电性可以分别通过Mn的掺入和Li的含量进行调控. 进一步对比分析光学性质发现, 低能区的介电函数虚部和复折射率函数明显受到Li的化学计量数的影响. 关键词： Mn掺杂LiZnAs 电子结构 光学性质 第一性原理     

Ni掺杂对ZnO磁光性能的影响

在掺杂浓度范围为2.78%—6.25%(物质的量分数)时,Ni掺杂ZnO体系吸收光谱分布的实验结果存在争议,目前仍然没有合理的理论解释.为了解决存在的争议,在电子自旋极化状态下,采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,构建不同Ni掺杂量的ZnO超胞模型,分别对模型进行几何结构优化和能量计算.结果表明,Ni掺杂量越大,形成能越高,掺杂越难,体系稳定性越低,掺杂体系带隙越窄,吸收光谱红移越显著.采用LDA(局域密度近似)+U方法调整带隙.结果表明,掺杂体系的铁磁性居里温度能够达到室温以上,磁矩来源于p-d态杂化电子交换作用.Ni掺杂量越高,掺杂体系的磁矩越小.另外还发现Ni原子在ZnO中间隙掺杂时,掺杂体系在紫外光和可见光区的吸收光谱发生蓝移现象.     

矿物药炉甘石煅制前后锌、铅元素的赋存形态及分布特征研究

采用X射线衍射(XRD)技术和电子探针微区分析(EPMA)技术针对中药炉甘石煅制前后锌、铅元素的赋存形态及分布特征进行了研究，探明了煅制对炉甘石中锌、铅元素赋存状态及分布的改变，为后续水飞减除铅元素的机理研究提供了理论依据。测试结果显示：21批次炉甘石(生品)中的锌元素以主矿物水锌矿[Zn₅(CO₃)₂(OH)₆]和杂质矿物异极矿[Zn₄(OH)₂(H₂O)(Si₂O₇)]为主要赋存形态，偶见菱锌矿(ZnCO₃)；炉甘石(生品)的背散射电子图谱及元素分布数据显示：Zn和Pb元素同时分布的区域为水锌矿，Zn和Si元素同时分布的区域为异极矿，Ca和Mg元素同时分布的区域为白云石，Ca元素单独分布区域为方解石。在炉甘石(生品)中，Pb主要分布于水锌矿中且分布相对均匀，Pb元素的分布与水锌矿中的Zn元素密切相关。大量水锌矿的微区点位的电子探针定量分析结果显示：各不同点位中的ZnO/PbO含量的比值趋于定值，Pb在水锌矿中呈统计式均匀分布，说明Pb在水锌矿中主要以类质同象混入物的形式存在。但是炉甘石(生品)中的异极矿、方解石及白云石等杂质矿物中铅元素含量极低甚至检测不到。炉甘石煅烧后水锌矿晶格中的Zn和Pb分别生成了ZnO和PbO。Zn元素在炉甘石煅制品中主要以氧化锌(ZnO)形式存在，少部分以杂质矿物硅酸锌(Zn₂SiO₄)形式存在，呈较连续状态分布。Pb元素在炉甘石煅制品中主要以氧化铅(PbO)的形式存在，呈星点状分布，与Zn元素的分布未呈现相关性，说明Pb在炉甘石煅制品中是以独立矿物形式存在的。煅烧破坏了水锌矿的晶格结构，在改变锌、铅化合物形态的同时，更改变了锌、铅的分布特征，打破了炉甘石中锌、铅的共生状态，使水飞减除铅元素成为可能。     

In–2N高共掺浓度和择优取向对ZnO最小光学带隙和吸收光谱的影响

目前, 虽然In和2N共掺对ZnO最小光学带隙和吸收光谱影响的实验研究均有报道, 但是, In和2N共掺在ZnO中均是随机掺杂, 没有考虑利用ZnO的单极性结构进行择优取向共掺, 第一性原理的出现能够解决该问题. 本文采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势(GGA+U)方法, 计算了纯的ZnO单胞、择优位向高共掺In–2N原子的Zn_1-xIn_xO_1-yN_y(x= 0.0625–0.03125, y=0.0625–0.125)八种超胞模型的态密度分布和吸收光谱分布. 计算结果表明, 在相同掺杂方式、不同浓度共掺In-2N的条件下, 掺杂量越增加, 掺杂体系体积越增加、能量越增加, 稳定性越下降、形成能越增加、掺杂越难、掺杂体系最小光学带隙越变窄、吸收光谱红移越显著. 计算结果与实验结果相一致. 在不同掺杂方式、相同浓度共掺In–2N的条件下, In–N沿c轴取向成键共掺与垂直于c轴取向成键共掺体系相比较, 沿c轴取向成键共掺体系最小光学带隙越变窄、吸收光谱红移越显著. 这对设计和制备新型光催化剂功能材料有一定的理论指导作用.     

GGA+U的方法研究Ag掺杂浓度对ZnO带隙和吸收光谱的影响

目前, 当Ag掺杂ZnO摩尔数为0.0208-0.0278的范围内, Ag掺杂对ZnO吸收光谱影响的实验研究均有文献报道, 但是, 有两种不同的实验结果, 掺杂体系吸收光谱红移或蓝移两种相悖的报道. 为了解决本问题, 本文采用自旋密度泛函理论(DFT)框架下的广义梯度近似(GGA+U)平面波赝势方法, 构建三种Zn_1-xAg_xO (x=0, x=0.0278, x=0.0417)模型, 分别对所有模型进行几何结构优化和能量计算. 结果表明, 与纯的ZnO布居值和Zn-O的键长相比, 掺杂体系布居值减小、Ag-O键长增加、共价键减弱、离子键增强. 当Ag掺杂ZnO摩尔数为0.0278-0.0417的范围内, Ag掺杂量越增加、O原子2p轨道、Zn原子的4s, 3d轨道电荷数不变、Ag原子的5s轨道电荷数越增加、Ag原子的4d轨道电荷数越减小、掺杂体系晶格常数越增加、体积越增加、总能量越增加、稳定性越下降、形成能越下降、掺杂越难、掺杂体系的带隙越变窄、吸收光谱红移越显著. 计算结果与实验结果相一致. 并且合理解释了存在的问题. 这对设计和制备Ag掺杂ZnO体系的光催化剂有一定的理论指导作用.     

Y掺杂ZnO最小光学带隙和吸收光谱的第一性原理研究

对于Y掺杂ZnO,当摩尔数在0.0313-0.0625之内,Y掺杂量越增加,吸收光谱发生红移和蓝移两种不同实验结果均有文献报道.本文使用Materials Studio软件下的CASTEP模块中密度泛函理论的第一性原理平面波模守恒(Norm conserving)赝势GGA+U的方法,构建了未掺杂纤锌矿ZnO单胞以及Y掺杂ZnO的Zn_(0.9687)Y_(0.0313)O超胞、Zn_(0.9583)Y_(0.0417)O超胞和Zn_(0.9375)Y_(0.0625)O超胞模型.对掺杂前后体系的能带结构、态密度、差分电荷密度、布居值以及吸收光谱进行了计算.计算结果表明:当Y掺杂摩尔数在0.0313-0.0625之内,Y掺杂量越增加,掺杂体系的晶格常数、体积、总能量越增大,掺杂体系越不稳定、形成能越增大、掺杂越难;掺杂体系中平行于和垂直于c轴的Y-O键布居值越减小、离子键越增强、共价键越减弱、键长越变长;掺杂体系的最小光学带隙越变宽、吸收光谱发生蓝移现象越明显.吸收光谱的计算结果与实验结果相符合,合理解释了吸收光谱红移、蓝移的争论.这对制备Y掺杂ZnO短波长光学器件能起到一定的理论指导作用.