Co-Cr共掺杂金红石型TiO_2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,采用第一性原理赝势平面波方法计算了Co、Cr单掺杂以及Co-Cr共掺杂金红石型TiO2的能带结构、态密度和光学性质.计算结果表明:纯金红石的禁带宽度为3.0eV,Co掺杂金红石型TiO2的带隙为1.21eV,导带顶和价带底都位于G点处,仍为直接带隙,在价带与导带之间出现了由Co 3d和Ti 3d轨道杂化形成的杂质能级;Cr掺杂金红石型TiO2的直接带隙为0.85eV,在价带与导带之间的杂质能级由Cr 3d和Ti 3d轨道杂化轨道构成,导带和价带都向低能级方向移动;Co-Cr共掺杂,由于电子的强烈杂化,使O-2p态和Ti-3d态向Co-3d和Cr-3d态移动,使价带顶能级向高能级移动而导带底能级向低能方向移动,极大地减小了禁带的宽度,也是共掺杂改性的离子选择依据.掺杂金红石型TiO2的介电峰、折射率和吸收系数峰都向低能方向移动;在E2.029eV的范围内,纯金红石的ε2、k和吸收系数为零,掺杂后的跃迁强度都大于未掺杂时的跃迁强度,Co-Cr共掺杂的跃迁强度大于Co掺杂及Cr掺杂,说明Co、Cr共掺杂更能增强电子在低能端的光学跃迁,具有更佳的可见光催化性能.     

Cr和C共掺TiO_2的电子结构和光学性质的研究

利用第一性原理计算,研究了Cr与C共掺锐钛矿型TiO_2的能带的结构,态密度和光学性质.我们构建了两种不等价的Cr与C紧邻共掺体系:CrC_1-TiO_2和CrC_2-TiO_2.CrC_1-TiO_2体系在价带上方出现了主要由C-2p轨道和Cr-3d轨道耦合成的子带.同时,由于姜-泰勒变形效应,Cr-3d轨道的t_(2g)轨道进一步分裂的成Cr-3d_(yz)轨道在导带底形成附加带,有效带隙较纯TiO_2相比变窄了0.84eV.CrC_2-TiO_2体系带隙中有深带隙态存在,由于深间隙态的存在,价带顶到深带隙的能量宽度为0.84eV,电子从价带顶转移到导带底的所需要的能量将大大减小.最后,我们对纯TiO_2和Cr与C紧邻共掺TiO_2的光学特性进行了计算.结果显示Cr与C共掺TiO_2的光学吸收谱都有很好的可见光区域分布,大大提高了太阳光的利用率.     

p型Na掺杂各向异性ZnO的电子性质与热电输运性质

采用密度泛函理论的第一性原理计算研究了p型Na掺杂各向异性ZnO的能带结构、光学性质、介电性质、总态密度和不同原子的分态密度,并系统分析了其热电输运性质。计算分析结果表明,p型Na掺杂ZnO为p型直接带隙半导体,其带隙增大到1.3eV,其对于光子的吸收限向低能量光子移动,体系费米能级附近的态密度大幅度提高,这主要是p态电子贡献的;在费米能级附近的导带和价带中都出现了新的能级,这些新的能级主要由Nas、Nap、Znp、Znd和Op电子形成,且他们之间存在着强耦合相互作用。Na掺杂ZnO的电输运性质具有各向异性;其价带和导带中的载流子有效质量均较大;载流子输运主要由Nas、Nap、Znp和Op电子完成。     

浓度对Co掺杂ZnO的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式方法,详细研究了本征Zn O和Co掺杂Zn O的电子结构和光学性质.计算结果表明,Co掺入Zn O后,Co的大部分3d电子位于费米能级附近,O的2p轨道电子发生分裂,并进入费米能级与Co的3d电子发生杂化,价带电子向低能级端移动,带隙变大,但随掺杂浓度的增大这种现象并不明显.另外Zn O掺Co后,由于Co的3d电子的引入,使得吸收谱中出现新的吸收峰,并发生蓝移现象,这与实验得到的结果相一致;静态介电常数明显增大,但随掺杂浓度的增大基本保持不变.     

透明导电氧化物CuScO2的密度泛函理论研究

本文利用基于第一性原理的广义梯度近似方法分析研究透明导电氧化物CuScO2能带结构、态密度和杂质能级．计算结果表明,CuScO2的价带区主要由Cu的3d态和O的2p态构成,而导带区主要由Sc的3d态组成．在进行＋U修正之后,随着U参量的增加,CuScO2的导带区发生分裂导致导带扩大,带隙也随之扩大,表明＋U计算能较好地改进CuSc02带隙值;本文还比较分析了各种掺杂元素在CuSc02的杂质能级,发现Mg原子替位掺杂Sc能有效改善CuScO2的P型导电性能．     

锂离子电池掺钴正极材料电子结构的DV-Xa研究

采用原子基表示的第一原理赝势方法，计算了正极材料LiMn2O4的电子结构，发现LiMn2O4的价带主要是由Mn(8)和Mn(9)的3d轨道和O(7)、O(6)、O(4)的2p轨道构成，导带主要是由Mn(8)和Mn(9)的3d轨道和O(7)的2p轨道构成．通过计算Li5Mn2C0O8的电子结构，发现在LiMn2O4中用钴离子取代16d位锰离子将使电极材料的费米能减小，放电电压降低；锂离子的净电荷增大，锂离子与氧离子的相互作用增强，可逆容量降低；同时由于价带宽度变窄，Co-O键间的相互作用比Mn-O键间的相互作用强，所以，结构稳定性增加，电极循环性能改善．     

宽禁带半导体材料CuYO2的第一性原理研究

本文利用基于第一性原理的广义梯度近似方法分析研究宽禁带半导体材料CuYO2能带结构、晶格常数和态密度。计算结果表明,CuYO2的价带区主要由Cu的3d态和O的2p态构成,而导带区主要由Y的3d态组成。在进行+U修正之后,随着U参量的增加,CuYO2的价带区和导带区发生分裂,导带区中Y的3d主峰向高能区移动导致导带扩大,带隙也随之扩大,当U取值为3eV时导带底由L点转变为Γ点,表明+U计算主要修正CuYO2导带从而能较好的改进理论带隙值。     

宽禁带半导体材料CuYO2的第一性原理研究

本文利用基于第一性原理的广义梯度近似方法分析研究宽禁带半导体材料CuYO₂能带结构、晶格常数和态密度.计算结果表明,CuYO₂的价带区主要由Cu的3d态和O的2p态构成,而导带区主要由Y的3d态组成.在进行+U修正之后,随着U参量的增加,CuYO₂的价带区和导带区发生分裂,导带区中Y的3d主峰向高能区移动导致导带扩大,带隙也随之扩大,当U取值为3 eV时导带底由L点转变为T点,表明+U计算主要修正CuY₂导带从而能较好的改进理论带隙值.     

Mg掺杂对Li(Co,Al)O2电子结构影响的第一原理研究

基于密度泛函理论的第一原理赝势法，研究了Mg在Li(Co，Al)O2中掺杂前后的电子结构的变化.通过能带和态密度的分析,发现Mg掺杂后在价带中引入了电子空穴，同时价带展宽，这两个电子结构的显著变化是引起Li(Co，Al)O2导电率提高的主要机理.通过对Co3d电子态密度的分析发现，在二价Mg掺杂后，Li(Co，Al)O2中的Co价态升高，介于Co3+和Co4+之间.从能带计算出发，进一步定量给出了Co和O的平均价态的变化. 关键词： Li(Co Al)O2 电子结构 第一原理 电导     

浓度对Co掺杂ZnO的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式方法,详细研究了本征ZnO和Co掺杂ZnO的电子结构和光学性质。计算结果表明,Co掺入ZnO后,Co的大部分3d电子位于费米能级附近,O的2p轨道电子发生分裂,并进入费米能级与Co的3d电子发生杂化,价带电子向低能级端移动,带隙变大,但随掺杂浓度的增大这种现象并不明显。另外ZnO掺Co后,由于Co的3d电子的引入,使得吸收谱中出现新的吸收峰,并发生蓝移现象,这与实验得到的结果相一致;静态介电常数明显增大,但随掺杂浓度的增大基本保持不变。     

D-Type Anti-Ferromagnetic Ground State in Ca_2Mn_2O_5

We study the electronic and magnetic properties of an oxygen-deficient perovskite Ca_2 Mn_2 O_5 based on the first principle calculations. The calculations show that the ground state of Ca_2 Mn_2 O_5 is a D-type anti-ferromagnetic structure with the anti-ferromagnetic spin coupling along the c-direction. The corresponding electronic structure of the D-type state is investigated, and the results display that Ca_2 Mn_2 O_5 is an insulator with an indirect energy gap of ~2.08 eV. By the partial density-of-state analysis, the valence band maximum is mainly contributed to by the O-2 p orbitals and the conduction band minimum is contributed to by the O-2 p and Mn-3 d orbitals. Due to the Coulomb repulsion interaction between electrons, the density of state of Mn-3 d is pulled to-6--4.5 eV.     

镍掺杂硅纳米线电子结构和光学性质的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理计算,对镍掺杂硅纳米线的结构稳定性、电子与光学性质进行了研究.结果表明:Ni容易占据硅纳米线表面的替代位置.镍掺杂后的硅纳米线引入了杂质能级,杂质能级主要来源于Ni的3d电子的贡献.由于Ni的3d态和Si的3p态的耦合作用,使禁带宽度变窄.掺杂后的硅纳米线在低能区出现了一个较强的吸收峰,且吸收带出现宽化现象. 关键词： 硅纳米线 掺杂 电子结构 光学性质     

Investigation of electronic,elastic, and optical properties of topological electride Ca_3Pb via first-principles calculations

Electrides are unique materials with the anionic electrons confined to the interstitial sites, expecting important applications in various areas. In this work, the electronic structure and detailed physical properties of topological electride Ca_3Pb are studied theoretically. By comparing the crystal structures and band structures of Ca_3Pb and Ca_3Pb O, we find that after removing O_2-ions from Ca_3Pb O, the remaining electrons are confined in the vacancies of the Ca_6 octahedra centers,playing the role as anions and forming an additional energy band compared with that of Ca_3Pb. These interstitial electrons partially result in the low work function of Ca_3Pb. Moreover, the calculated mechanic properties imply that Ca_3Pb has a strong brittleness. In addition, the dielectric functions and optical properties of Ca_3Pb are also analyzed.     

CdS掺Mg和Ni电子结构和光学性质的密度泛函理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对闪锌矿结构CdS和CdS∶M(M=Mg,Ni)几何结构、能带结构、电子态密度和光学性质进行了系统的研究。几何结构研究对掺杂后体系晶格常量进行了优化计算,结果表明Mg和Ni原子掺入CdS后晶格常量均减小,晶格发生局部畸变。进一步研究了掺杂对体系电子结构的影响,能带结构和电子态密度分析表明由于Ni 3d电子的引入使CdS∶Ni成为半金属铁磁半导体,而Mg 3s电子的引入CdS∶Mg带隙变宽。另外,体系掺杂后,吸收系数分析表明掺杂导致吸收峰在可见光波长区域变化显著,且掺Ni导致吸收峰进一步向长波方向移动。     

Stability,elastic anisotropy,and electronic properties of Ca_2C_3

The systematic investigations of the mechanical, elastic, and electronic properties, and stability of the newly synthesized monoclinic C2/m-Ca_2C_3 are performed, based on the first-principles calculations. Ca_2C_3 is found to be mechanically and dynamically stable only from 0 GPa to 24 GPa. The elastic anisotropy studies show that Ca_2C_3 exhibits the elastic anisotropy increasing with the augment of pressure. Furthermore, using the HSE06 hybrid functional, the electronic properties of Ca_2C_3 under pressure are calculated. The structure can be regarded as a quasi-direct band gap semiconductor, and the pressure-induced direct-indirect band gap transition is studied in detail.     

Ni掺杂浓度对硅纳米线光电性质的影响

利用基于密度泛函理论的第一性原理,对不同直径和浓度Ni掺杂硅纳米线的形成能、能带结构、态密度和光学性质进行了计算,结果表明：杂质Ni的形成能随硅纳米线直径的减小和掺杂浓度的降低而下降,这说明直径越大的硅纳米线掺杂越困难,杂质浓度越高的硅纳米线越不稳定. Ni掺杂在费米能级附近及带隙中引入杂质能级,其主要来自Ni的3d轨道,杂质能级扩展成杂质带,改变Ni的掺杂浓度可改变硅纳米线的带隙,改善其导电性. 另外,还发现掺杂浓度明显改变了硅纳米线的吸收强度和宽度.     

Nd0.5Ca0.5Mn0.97Co0.03O3体系的超声研究

系统研究了Nd0.5Ca0.5Mn0.97Co0.03O3单相多晶样品在低温下的电磁性质和超声特性.超声测量结果表明,体系在低温下超声声速出现异常,超声声速从室温开始随着温度的降低逐渐减小,并在220K附近声速达到最小,其相对变化(ΔV/V)超过2%.之后,随着温度的进一步降低,声速急剧硬化,其相对变化达到14.5%.分析表明这是由于体系中电-声子相互作用导致的电荷有序态转变的结果,该电声子耦合来源于Mn3 的JahnTeller效应.同时,该体系在100K左右出现了金属绝缘体转变同时伴随着铁磁相变,分析表明在低温下Co离子与Mn离子之间存在着铁磁交换作用,因此微量的Co掺杂会在反铁磁区域内形成部分铁磁小团簇,当铁磁团簇连通后,体系由反铁磁电荷有序态(AFMCO)向铁磁金属态(FMM)转变.研究结果表明了样品在电荷有序相变温度TCO与金属绝缘体转变温度TMI之间(TMI相似文献   

Structural and electronic properties of a single Si chain doped zigzag AlN nanoribbon

The first-principles projector-augmented wave (PAW) potentials within the density function theory (DFT) framework have been used to determine the geometry structures and electronic properties of the zigzag edge AlN nanoribbons (ZAlNNRs) doped with a single Si chain under generalized gradient approximation (GGA). The average Al–Si, Si–Si, Al–N, Si–N, Al–H and N–H bond lengths are 2.39, 2.16, 1.83, 1.74, 1.59 and 1.03 Å, respectively. Pure 7-ZAlNNR is an indirect semiconductor with a large band gap of 2.235 eV, while a semiconductor to metal transformation is taken place after a single Si chain substituting for a single Al–N chain at various positions. In pure 7-ZAlNNR, the HVB and LCB are mainly attributed to the edge N and Al atoms, respectively, while in a single Si chain substituting doped 7-ZAlNNR, the HVB and LCB are mainly attributed to the Si atoms. The Al–N, Al–H and Al–Si bonds are ionic bond, the Si–Si and Si–H bonds are covalent bond, the N–H and N–Si bonds are covalent bond modified ionic bond.     

Mg12O12纳米线掺杂3过渡金属元素的第一性原理计算研究

基于密度泛函第一性原理计算,系统研究了Mg12O12笼状团簇组装一维纳米线及其掺杂3d族元素体系的几何结构与电子结构。结果表明：Mg12O12团簇组装一维纳米线为非磁性半导体,带隙值为3.16 eV;掺杂Sc和V后,体系由半导体转变为金属;掺杂Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu后体系仍然保持半导体特性、但带隙值明显减小,而掺杂Zn时带隙值变化不大;掺杂V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu后纳米线具有磁性。     

Effect of 3d doping on the electronic structure of BaFe2As2

The electronic structure of BaFe(2)As(2) doped with Co, Ni and Cu has been studied by a variety of experimental and theoretical methods, but a clear picture of the dopant 3d states has not yet emerged. Herein we provide experimental evidence of the distribution of Co, Ni and Cu 3d states in the valence band. We conclude that the Co and Ni 3d states provide additional free carriers to the Fermi level, while the Cu 3d states are found at the bottom of the valence band in a localized 3d(10) shell. These findings help shed light on why superconductivity can occur in BaFe(2)As(2) doped with Co and Ni but not Cu.