不同3d过渡金属掺杂对ZnS电子结构和光学性质的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对掺杂不同3d过渡金属元素的闪锌矿型ZnS系统进行了研究。结果表明,掺杂元素的主要贡献在费米面附近,掺杂后系统的价带底、导带均向低能方向移动,带隙变小。Fe、Mn、Cr、V的掺杂为n型掺杂,Cu、Ni、Co的掺杂为p型掺杂。掺杂后系统的光学吸收边都有明显的红移,在绿光区有较强的吸收。此外,V和Cr掺杂系统在远紫外区也有较强的吸收,结果与实验符合。     

B、N单掺杂3C-SiC电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用第一性原理的密度泛函理论赝势平面波方法,计算了未掺杂与B、N单掺杂3C-SiC的电子结构和光学性质.结果表明:掺杂改变了3C-SiC费米面附近的电子结构;B掺杂使得禁带宽度减小,价带顶上移,费米能级进入价带,形成p型半导体;N掺杂使得禁带宽度减小,导带底下移,费米能级进入导带,形成n型半导体.B、N掺杂均提高了3C-SiC在低能区的折射率、消光系数和吸收系数,增强了对红外光谱的吸收.     

双能谷效应对N型掺杂Si基Ge材料载流子晶格散射的影响

性能优越的Si基高效发光材料与器件的制备一直是Si基光电集成电路中最具挑战性的课题之一.Si基Ge材料不仅与成熟的硅工艺相兼容,而且具有准直接带特性,被认为是实现Si基激光器最有希望的材料.对Si基Ge材料N型掺杂的研究有利于提示出其直接带发光增强机理.本文研究了N型掺杂Si基Ge材料导带电子的晶格散射过程.N型掺杂Si基Ge材料具有独特的双能谷(Γ能谷与L能谷)结构,它将通过以下两方面的竞争关系提高直接带导带底电子的占有率:一方面,处于Γ能谷的导带电子通过谷间光学声子的散射方式散射到L能谷;另一方面,处于L能谷的导带电子通过谷内光学声子散射以及二次谷间光学声子散射或者直接通过谷间光学声子散射的方式跃迁到Γ能谷.当掺杂浓度界于10~(17)cm~(-3)到10~(19)cm~(-3)时,适当提高N型掺杂浓度有利于提高直接带Γ能谷导带底电子占有率,进而提高Si基Ge材料直接带发光效率.     

Sb、Ce掺杂Mg2Ge的第一性原理研究

此文用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理赝势平面波方法系统的计算了Sb、Ce掺杂Mg₂Ge的能带结构、态密度以及光学性质,获得了Mg₂Ge掺杂Sb后,费米面进入导带,呈现n型导电;Mg₂Ge掺杂Ce后,上自旋电子在费米能级附近处的价带和导带有一部分重叠,呈现半金属特性,进入导带电子数目增多,导电性增强. Sb、Ce掺杂Mg₂Ge后,其主要吸收峰都小于未掺杂Mg₂Ge,在可见光区域的透过率增大;Sb掺入后,在能量低于2.6 eV反射谱出现红移,Ce掺入后Mg₂Ge的吸收范围明显宽于本征Mg₂Ge;掺杂改善了Mg₂Ge对红外光子的吸收等有益结果.     

Si中掺Er的原子构型与电子特性

采用定域密度泛函-离散变分方法(LDF-DVM)计算了Si中掺Er的原子构型与电子特性，并计算了O共掺杂对Si中掺Er体系的原子构型与电子特性的影响.结果表明，在没有O共掺杂时，Er处于四面体间隙位置时能量最低，此时Er的5d轨道在Si的导带中引入浅的共振态.处于替代位置的Er形成能略高，Er的5d轨道在Si的导带顶附近引入了受主态.当有O存在时，体系的形成能降低，能量最低的构型是Er处于六角形间隙位置，周围有6个O，此时Er的5d轨道在Si的导带下约为0.3eV处引入杂质态.从而解释了Si中掺Er体系在 关键词：     

P掺杂正交相Ca_2Si电子结构及光学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论第一性原理超软贋势平面波方法系统计算了Ca2Si及P掺杂Ca2Si的电子结构、光学性质,分析了P掺杂对Ca2Si的能带结构、电子态密度、光学性质的影响.计算结果表明:掺入P后Ca2Si的能带向低能方向偏移,禁带宽带为0.557 95eV,价带主要由Si的3p,P的3p以及Ca的4s、3d电子构成,导带主要由Ca的3d电子贡献.通过能带结构和态密度分析了P掺杂正交相Ca2Si的复介电函数、折射率、反射谱、吸收谱和能量损失函数,结果表明P掺杂增强了Ca2Si的光利用率,说明掺杂能够有效改变材料电子结构和光电性能,为Ca2Si材料光电性能的开发、应用提供理论依据.     

Sc掺杂Ca3Si4的电子结构和光学性质

利用基于密度泛函理论的赝势平面波方法对Sc掺Ca3Si4的电子结构和光学性质进行了系统的计算和分析比较.研究结果为块体Ca3Si4是间接带隙半导体,带隙为0.372eV,价带主要是由Si的3s和3p及Ca的3d态电子构成,导带主要是由Ca的3d态电子构成,静态介电常数ε1(0)=19,折射率n0=4.35;吸收系数在能量3.024eV处达到最大峰值1.56×105cm-1.而掺杂Sc变为n型半导体;费米能级附近的导带主要则由Ca的3d态电子和Sc的3d态电子构成,静态介电常数变为ε1(0)=54.58,折射率n0=7.416;吸收系数在能量5.253eV处达到最大峰值1.614×105cm-1.通过掺杂有效调制了Ca3Si4的电子结构和光学性质,计算结果为Ca3Si4光电材料的设计与应用提供了理论依据.     

SrTiO3中形成级联能级的理论分析

以Bi和Cu掺杂为例,通过基于密度泛函理论的电子结构的计算,分析了SrTiO₃体系中形成级联能级的可能性.结果表明,Bi掺杂和Cu掺杂都可以在SrTiO₃的禁带中引入杂质能带,Bi和Cu的共同掺杂可引入两条杂质能带.通过在两条杂质能带之间级联激发,价带顶的电子可以受激跃迁到导带底.采用无辐射跃迁的简单模型,分析指出电子通过级联激发从价带顶受激跃迁到导带底的概率远远高于直接从价带顶跃迁到导带底的概率.这种级联激发可以有效提高导带中的载流子浓度. 关键词： 级联能级 密度泛函 掺杂     

Al掺杂对Mg_2Si介电性质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平面波超软赝势方法,计算了本征Mg_2Si和Al掺杂Mg_2Si的形成能、电子结构和介电函数.结果表明,Al掺杂Mg_2Si后,Al以替位杂质(Al替Mg位,即AlMg)或填隙杂质(Al位于晶胞间隙位,即Ali)的形式进入Mg_2Si晶格.费米能级进入导带,体系呈n型导电.掺杂后体系的介电函数的实部和虚部在低频时比未掺杂时均增大,主要是由于晶格中的施主杂质Al离子束缚着附近的过剩电子,在外加交变电场的作用下,束缚在Al离子周围的电子要克服一定的势垒不断地往复运动造成松弛极化和损耗.另外,掺杂体系相对于未掺杂体系,介电函数的虚部在0.5 eV附近出现了一个额外的介电峰,该峰主要是由电子从价带跃迁到Al杂质能级引起的.计算结果为Mg_2Si基光电子器件的设计和应用提供了理论依据.     

过渡金属W、Mn、V、Ti掺杂二维材料MoSi2N4的第一性原理计算

本文基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算了W、Mn、V、Ti替位掺杂二维MoSi₂N₄后的几何结构、电子结构以及光学性质的变化.电子结构分析表明W、Mn、W、Ti替位掺杂二维MoSi₂N₄后的禁带宽度分别为1.806 e V、1.003 e V、1.218 e V和1.373 e V;四种过渡金属掺杂后MoSi₂N₄的带隙类型没有发生改变，均为间接带隙半导体;W掺杂后的杂质能级靠近价带顶，费米能级靠近价带顶，为p型半导体，杂质能级为受主能级;Mn掺杂后的杂质能级靠近导带底，费米能级靠近导带底，为n型半导体;V和Ti掺杂后杂质能级位于费米能级附近，为复合中心;光学性质分析表明，在2 e V～4 e V的能量区间内，W掺杂结构的吸收波长为336 nm，体系发生红移;Mn、V和Ti替位掺杂后的吸收波长分别为320 nm、358 nm和338 nm，且掺杂体系均发生蓝移.     

Cu掺杂的AlN铁磁性和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论（DFT）的总体能量平面波超软赝势方法,结合广义梯度近似（GGA）,对Cu掺杂AlN 32原子超原胞体系进行了几何结构优化,计算了Cu掺杂AlN的晶格常数,能带结构,电子态密度和光学性质.结果表明,Cu掺杂AlN会产生自旋极化状态,能带结构显示半金属性质,掺杂后带隙变窄,长波吸收加强,能量损失明显减小.同传统的稀磁半导体（DMS）相比,Cu掺杂AlN不会有铁磁性沉淀物的问题,因为Cu本身不具有磁性.因而,Cu掺杂的AlN也许是一种非常有前途的稀磁半导体. 关键词： AlN 第一性原理 铁磁性 光学性质     

Cr掺杂浓度对AlN半金属性影响的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法, 在广义梯度近似(GGA)下计算了掺杂过渡金属Cr原子后AlN晶体自旋极化的能带结构、分态密度等性质. 结果表明, 半金属能隙随着掺杂浓度的增大而减小. 文中以掺杂浓度为12.5%的Cr-AlN(2×2×1)为例, 分析了其自旋极化的能带结构、分态密度和磁矩等性质, 发现Cr-3d电子对自旋向下子带导带底的能量位置起决定作用. 随着掺杂浓度的增大, Cr原子间相互作用增强, Cr-3d能带向两边展宽, 导致自旋向下子带导带底的能量位置下降, 从而半金属能隙变窄.     

C与Na掺杂AlN电子结构与光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)的平面波超软赝势法，计算了本征AlN,C-AlN,Na-AlN以及C-Na-AlN四种体系的电子结构和光学性质.得出结论：掺杂后各体系与本征AlN相比发生了晶格畸变，C-Na-AlN体系的结合能最小，体系最稳定.掺杂体系相比于本征AlN,禁带宽度都有不同程度的减小，导致电子在体系内跃迁时的概率增大，其中C-Na-AlN体系尤为明显，电子跃迁所需要的能量更小.掺杂后吸收带边发生了红移，拓宽了AlN体系对光的响应范围，增强了光吸收，并且C-Na-AlN体系在可见光区域内光吸收能力最强，在介电函数图的分析中可以得到，C-Na-AlN体系的介电常数最大，表明其电荷束缚能力最强，体系稳定性强，极化能力最好.     

第一性原理计算Cu-Cr共掺AlN稀磁半导体

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,结合广义梯度（GGA）近似对Cr单掺AlN和Cu-Cr共掺AlN的32原子超原胞体系进行几何结构优化,计算它们的晶格常数,能带结构,电子态密度以及光学性质.结果表明Cr单掺AlN和Cu-Cr共掺AlN均表现为半金属性质,带隙变窄,且Cu-Cr共掺体系自旋极化作用较Cr单掺强,材料表现出良好的铁磁性.共掺杂后,光吸收的范围增宽,体系对长波吸收加强,能量损失明显减小.     

Cu、Ag和Au掺杂AlN的电磁性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论（DFT）的平面波超软赝势法,研究了Cu、Ag、Au掺杂AlN的晶格常数、磁矩、能带结构和态密度。电子结构表明,Cu、Ag、Au的掺杂使在带隙中引入了由杂质原子的d态与近邻N原子的2p态杂化而成的杂质带,都为p型掺杂,增强了体系的导电性。Cu掺杂AlN具有半金属铁磁性,半金属能隙为0.442eV,理论上可实现100%的自旋载流子注入;Ag掺杂AlN具有很弱的半金属铁磁性;而Au掺杂AlN不具有半金属铁磁性。因此,与Ag、Au相比,Cu更适合用来制作AlN基稀磁半导体。     

Normally-off AlGaN/GaN heterojunction field-effect transistors with in-situ AlN gate insulator

AlGaN/GaN heterojunction field-effect transistors (HFETs) with p-GaN cap layer are developed for normally-off operation, in which an in-situ grown AlN layer is utilized as the gate insulator. Compared with the SiN_x gate insulator, the AlN/p-GaN interface presents a more obvious energy band bending and a wider depletion region, which helps to positively shift the threshold voltage. In addition, the relatively large conduction band offset of AlN/p-GaN is beneficial to suppress the gate leakage current and enhance the gate breakdown voltage. Owing to the introduction of AlN layer, normally-off p-GaN capped AlGaN/GaN HFET with a threshold voltage of 4 V and a gate swing of 13 V is realized. Furthermore, the field-effect mobility is approximately 1500 cm²·V^-1·s^-1 in the 2DEG channel, implying a good device performance.     

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.     

Cr掺杂浓度对AlN半金属性影响的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法, 在广义梯度近似(GGA)下计算了掺杂过渡金属Cr原子后AlN晶体自旋极化的能带结构、分态密度等性质. 结果表明, 半金属能隙随着掺杂浓度的增大而减小. 文中以掺杂浓度为12.5%的Cr-AlN(2×2×1)为例, 分析了其自旋极化的能带结构、分态密度和磁矩等性质, 发现Cr-3d电子对自旋向下子带导带底的能量位置起决定作用. 随着掺杂浓度的增大, Cr原子间相互作用增强, Cr-3d能带向两边展宽, 导致自旋向下子带导带底的能量位置下降, 从而半金属能隙变窄.     

Nanoporous AlN particles production from a solid-state metathesis reaction

This paper reports that nanoporous AlN particles are synthesized from solid-state metathesis reactions using AlCl₃ and Mg₃N₂ as reactants. The samples are characterized by x-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), selected area electron diffraction, high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), ultraviolet--visible (UV--vis) absorption spectroscopy and Raman spectroscopy. The results show that samples with walls 10 nm in thickness and pores between 10 nm and 100 nm in diameter were produced successfully from these reactions, and their band gap and vibration modes agree with those of AlN bulk crystal.