ZnS掺Mn的电子结构研究

 用自旋极化的LSD-LMTO（Local-Spin-Density Linear Muffin-Tin-Orbital Method）方法，对ZnS掺入Mn发光中心的电子结构进行了大型超原胞模拟计算。在自洽收敛的条件下，先对纯ZnS调节计算参数（原子球、空球占空比），使计算的带隙E_g=3.23 eV；然后用原子球替代方式自洽计算杂质密度在E_g中的相对位置，模拟计算了在六角结构ZnS中掺入不同浓度的Mn杂质后有关的杂质能级在E_g中的相对位置。计算结果表明：（1）单个缺陷的杂质能级性质与配位场理论结果相符合，直接用杂质态密度来表示；（2）掺入杂质的浓度对杂质能级位置的影响不大，这与实验结果相一致。     

GaN及其Ga空位的电子结构

用团簇埋入自洽计算法对宽禁带半导体GaN的电子结构进行了自旋极化的、全电子、全势场的从头计算,得到了与实验值符合的GaN晶体禁带宽度以及价带中N2p带、N2s带和Ga3d带之间的相对位置.在此基础上Ga空位计算(无晶格畸变)显示,Ga空位周围的费米面显著高于正常GaN晶格的费米面.因此Ga空位周围N原子的处于费米面上的2p电子很易被激发成正常晶格处的传导电子 关键词： GaN 电子结构 团簇埋入自洽计算     

空位缺陷及Mg替位对纤锌矿(Ga,Mn)N电子结构和磁光性能的影响

采用自旋密度泛函理论框架下的广义梯度近似(GGA+U)平面波超软赝势方法,构建了未掺杂纤锌矿GaN超胞、三种不同有序占位Mn双掺GaN,(Mn,Mg)共掺杂GaN以及存在空位缺陷的Mn掺杂GaN超胞模型,分别对所有模型的能带结构、电子态密度、能量以及光学性质进行了计算.计算结果表明:与纯的GaN相比,Mn掺杂GaN体系的体积略有增大,掺杂体系居里温度能够达到室温以上;随着双掺杂Mn-Mn间距的增大,体系总能量和形成能升高、稳定性下降、掺杂越难;(Mn,Mg)共掺杂并不能有效增大掺杂体系磁矩,也不能达到提高掺杂体系居里温度的作用;Ga空位缺陷和N空位缺陷的存在不利于Mn掺杂GaN形成稳定的铁磁有序.此外,Mn离子的掺入在费米能级附近引入自旋极化杂质带,正是由于费米能级附近自旋极化杂质带中不同电子态间的跃迁,介电函数虚部在0.6868eV附近、光吸收谱在1.25eV附近分别出现了一个较强的新峰.     

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。     

熔石英中过氧缺陷及中性氧空位缺陷的几何结构、电子结构和吸收光谱的准粒子计算

本文使用密度泛函理论研究了熔石英中peroxy linkage(POL)缺陷和中性氧空位(NOV)缺陷的几何结构,电子结构以及光学性质.采用自洽的准粒子GW计算结合求解Bathe-Salpeter方程的多体理论,研究了缺陷引起的电子结构和光学吸收谱的变化.首先研究了无缺陷非晶结构的电子结构与吸收谱,得到的结果与实验值非常接近.对POL的计算表明,其在基态下的局部结构与过氧化氢分子类似.采用多体理论计算得到的吸收谱表明其最低吸收峰位于6.3 eV处.这一结果不支持实验认为的位于3.8 eV处的吸收峰是由POL缺陷导致的说法.对于NOV缺陷,计算表明其基态的Si—Si键长为2.51?而三重态下的值则为3.56?.相应的GW+BSE计算表明中性氧空位缺陷导致了位于7.4 eV处的吸收峰,与实验测量结果一致.     

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.     

六方AlN本征缺陷的第一性原理研究

用基于密度泛函理论平面波赝势法首先对六方AlN本征点缺陷(氮空位、铝空位、氮替代铝、铝替代氮、氮间隙、铝间隙)存在时的晶格结构进行优化，得到其稳定结构；然后通过各缺陷形成能的计算可得知其在生长过程中形成的难易程度；最后从态密度的角度对各种本征点缺陷引起的缺陷能级及电子占据情况进行了分析.发现除氮空位外其他本征缺陷在带隙中形成的能级都很深，要得到n型或p型AlN必须要引入外来杂质.计算得到的本征缺陷能级对于分析AlN的一些非带边辐射机理有重要帮助. 关键词： 六方AlN 形成能 缺陷能级 态密度     

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.     

In掺杂ZnTe发光性能的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理对In掺入ZnTe半导体后引入的各种缺陷进行了结构优化、 能带和态密度分析及转换能级的计算. 计算结果表明: 掺杂后体系中主要存在两种缺陷, 一种是In原子替换了Zn原子的置换型缺陷; 另一种是由In替换Zn后再与临近的Zn空位形成的复合缺陷. 二者分别在导带底下方0.26 eV和价带顶上方0.33 eV的位置形成各自的转换能级. 电子在这两个转换能级之间跃迁辐射出的能量大小与实验测量到的能量大小相符, 解释了原本发绿光的ZnTe在掺入In后发出近红外光的根本原因. 关键词： ZnTe 半导体掺杂 近红外光 第一性原理     

空位及氮掺杂二维ZnO单层材料性质:第一性原理计算与分子轨道分析

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,系统地研究了带缺陷的二维类石墨烯结构的ZnO(graphenelike-ZnO,g-ZnO)的几何结构、电子结构、磁性性质和吸收光谱性质.研究的缺陷类型包括锌原子空位(VZn_g-ZnO)、氧原子空位(VO_g-ZnO)、氮原子取代氧原子(NO_g-ZnO)和表面吸附氮原子(N@g-ZnO).研究发现:NO_g-ZnO体系和N@g-ZnO体系形变较小,而空位体系会引入较大的形变;g-ZnO本身无磁矩,引入Zn空位后,VZn_g-ZnO体系总磁矩为2.00μB;VO_g-ZnO体系无磁矩,但N掺杂后的NO_g-ZnO体系和氮吸附的N@g-ZnO体系的总磁矩分别为1.00μB和3.00μB.利用掺杂体系的局域对称性和分子轨道理论分析了杂质能级和磁矩的产生原因,并且通过分析光吸收曲线得知,引入空位缺陷或者N原子掺杂,可以有效增强g-ZnO单层材料的光吸收性能.研究结果对系统地理解g-ZnO及其缺陷模型的性质有重要意义,可以为发展基于g-ZnO的纳米电子器件和光催化应用提供理论参考.     

Vacancy defects as compensating centers in Mg-doped GaN

We apply positron annihilation spectroscopy to identify V(N)-Mg(Ga) complexes as native defects in Mg-doped GaN. These defects dissociate in postgrowth annealings at 500-800 degrees C. We conclude that V(N)-Mg(Ga) complexes contribute to the electrical compensation of Mg as well as the activation of p-type conductivity in the annealing. The observation of V(N)-Mg(Ga) complexes confirms that vacancy defects in either the N or Ga sublattice are abundant in GaN at any position of the Fermi level during growth, as predicted previously by theoretical calculations.     

Intrinsic magnetism induced by vacancy in GaN

We performed total energy electronic-structure calculations based on DFT that clarify the intrinsic magnetism of undoped GaN. The magnetism is due to Ga, instead of N, vacancies. The origin of magnetism arises from the unpaired 2p electrons of N surrounding Ga vacancy. At a vacancy concentration of 5.6%, the ferromagnetic state is 181 meV lower than the antiferromagnetic state. Our findings are helpful to gain a more novel understanding of structural and spin properties of Ga vacancy in wurtzite GaN and also provide a possible way to generate magnetic GaN by introducing Ga vacancies instead of doping with transition-metal atoms.     

Structure and electronic properties of native and defected gallium nitride nanotubes

Structure and electronic properties of GaN nanotubes (GaNNTs) are investigated by using ab initio density functional theory. By full optimization, the optimized structures (bond-lengths and angles between them) of zigzag GaNNTs (n,0) and armchair GaNNTs (n,n) (4<n<11) are calculated. The difference between nitrogen ring diameter and gallium ring diameter (buckling distance) and semiconducting energy gap in term of diameter for zigzag and armchair GaNNTs have also been calculated. We found that buckling distance decreases by increasing nanotube diameter. Furthermore, we have investigated the effects of nitrogen and gallium vacancies on structure and electronic properties of zigzag GaNNT (5,0) using spin dependent density functional theory. By calculating the formation energy, we found that N vacancy in GaNNT (5,0) is more favorable than Ga vacancy. The nitrogen vacancy in zigzag GaNNT induces a 1.0μB magnetization and makes a polarized structure. We have shown that in polarized GaNNT a flat band near the Fermi energy splits to occupied spin up and unoccupied spin down levels.     

Electronic Structures of Wurtzite GaN with Ga and N Vacancies

The electronic band structures of wurtzite GaN with Ga and N vacancy defects are investigated by means of the first-principles total energy calculations in the neutral charge state. Our results show that the band structures can be significantly modified by the Ga and N vacancies in the GaN samples. Generally, the width of the valence band is reduced and the band gap is enlarged. The defect-induced bands can be introduced in the band gap of GMV due to the Ga and N vacancies. Moreover, the GaN with high density of N vacancies becomes an indirect gap semiconductor. Three defect bands due to Ga vacancy defects are created within the band gap and near the top of the valence band. In contrast, the N vacancies introduce four defect bands within the band gap. One is in the vicinity of the top of the valence band, and the others are near the bottom of the conduction band. The physical origin of the defect bands and modification of the band structures due to the Ga and N vacancies are analysed in depth.     

Gallium nitride nanoparticle synthesis using nonthermal plasma with gallium vapor

Gallium nitride (GaN) nanoparticles are synthesized by the gallium particle trapping effect in a N₂ nonthermal plasma with metallic Ga vapor. A proposed method has an advantage of synthesized GaN nanoparticle purity because the gallium vapor from the inductively heated tungsten boat does not contain any impurity source. The synthesized particle size can be controlled by the amount of Ga vapor, which is adjusted using the plasma emission ratio of nitrogen to gallium, owing to the particle trapping effect. The synthesized nanoparticles are investigated by electron microscopy studies. High-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) studies confirm that the synthesized GaN nanoparticles (10–40 nm) crystallize in a single-phase wurtzite structure. Room-temperature photoluminescence (PL) measurements indicate the band-edge emission of GaN at around 378 nm without yellow emission, which implies that the synthesized GaN nanoparticles have high crystallinity.     

SiC/AlN上外延GaN薄膜的黄带发光与晶体缺陷的关系

利用室温光致发光(PL)技术研究了在6HSiC(0001)上用金属有机物化学汽相沉积(MOCVD)外延生长的GaN薄膜“黄带”发光(YL)特点,与扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)技术得到的GaN薄膜的表面形貌质量和内部结晶质量的结果相对照,表明“YL”发光强度与GaN薄膜的扩展缺陷多少直接相对应通过二次离子质谱(SIMS)技术获取的GaN薄膜中Ga元素深度分布揭示出镓空位(V_Ga)最可能是“YL”发光的微观来源分析认为,虽然宏观扩展缺陷(丝状缺陷、螺形位错等)和微观点缺陷V_Ga及其与杂质的络合物(complexes)都表现出与“YL”发射密切相关,但V_Ga及其与杂质的络合物更可能是“YL”发射的根本微观来源室温下获得的样品“YL”发射强度和光谱精细结构可用于分析GaN薄膜缺陷和晶体质量.     

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.     

GaAs衬底上生长的GaInP_2外延单晶薄膜的杂质污染研究

各种外延技术已被用来在ＧａＡｓ衬底上生长ＧａｘＩｎ１－ｘＰ外延单晶薄膜（ＧａＩｎＰ２／ＧａＡｓ）．很多文献认为,在ＧａＩｎＰ２／ＧａＡｓ生长过程中会被Ｃ杂质污染．我们用高灵敏的ＣＡＭＥＣＡＩＭＳ４Ｆ型二次离子质谱仪直接测量的结果表明,污染ＧａＩｎＰ２／ＧａＡｓ的微量杂质是Ｓｉ,而不是Ｃ．由ＧａＩｎＰ２／ＧａＡｓ在１．１７ｅＶ附近的光致发光峰的峰值随激发强度的变化形状表明了它应属于施主－受主对复合发光．进一步分析表明,施主为处在Ｇａ格位上的Ｓｉ杂质（ＳｉＧａ）,受主为Ｇａ空位（ＶＧａ）．     

Magnetic properties of Ni doped gallium nitride with vacancy induced defect

Investigations have been carried out to study the ferromagnetic properties of transition metal (TM) doped wurtzite GaN from first principle calculations using tight binding linear muffin-tin orbital (TBLMTO) method within the density functional theory. The present calculation reveals ferromagnetism in nickel doped GaN with a magnetic moment of 1.13 μ_B for 6.25% of Ni doping and 1.32 μ_B for 12.5% of nickel doping, there is a decrease of magnetic moment when two Ni atoms are bonded via nitrogen atom. The Ga vacancy (V_Ga) induced defect shows ferromagnetic state. Here the magnetic moment arises due to the tetrahedral bonding of three N atoms with the vacancy which is at a distance of 3.689 Å and the other N atom which is at a distance of 3.678 Å .On the other hand the defect induced by N vacancy (V_N) has no effect on magnetic moment and the system shows metallic character. When Ni is introduced into a Ga vacancy (V_Ga) site, charge transfer occur from the Ni ‘d’ like band to acceptor level of V_Ga and formed a strong Ni–N bond. In this Ni–V_Ga complex with an Ni ion and a Ga defect, the magnetic moment due to N atom is 0.299 μ_B .In case of Ni substitution in Ga site with N vacancy, the system is ferromagnetic with a magnetic moment of 1 μ_B.     

空位浓度对纤锌矿BN电子结构和光学性质影响的第一性原理研究

本文采用了第一性原理研究了空位缺陷纤锌矿BN的电子结构和光学性质.通过对能带结构、态密度分析发现：缺陷体系由于B、N的缺失,费米能级附近出现杂质能级.相较于本征体系,随着空位浓度增加,杂质能级变多,跃迁能量减小. N空位缺陷的纤锌矿BN态密度总体向低能区移动,且能级相较于B空位缺陷的纤锌矿BN明显增多.从复介电函数和光学吸收谱分析中发现,随着空位浓度的增加,缺陷体系纤锌矿BN在可见光区域的吸收逐渐增强.尤其是B₂₂N₂₄在可见光区域出现的吸收效果更好.