用第一性原理研究K空位对KDP晶体激光损伤的影响

 用基于密度泛函理论及超软赝势的第一性原理研究了KH­­­₂PO₄(KDP)晶体中K空位的电子结构、形成能及驰豫构型。讨论了K空位形成后电荷密度的重新分布、相应的电子态密度和能带结构等性质。计算得到中性K空位的形成能为6.5 eV, 远小于间隙K原子点缺陷形成能13.07 eV。K空位的存在使晶胞体积增大, 分别沿结晶学轴a方向增大近0.8%, b方向增大近0.87%, c方向增大近1.2%，同时使与之配位的8个氧原子发生较大位移，使这8个氧形成的空腔体积增大近3.2%。空腔体积的增大不仅促进了各种点缺陷的扩散迁移，而且有利于其它杂质原子的填隙。K原子迁移率的增大会引起离子电导率的增大，因而会降低KDP的激光损伤阈值，因此从这个方面讲，K空位的存在是不利的。但是如果能从实验上（如热退火）利用K空位所造成的扩散通道排出或改善缺陷结构，则可提高KDP晶体的光学质量。     

四方相BaTiO3铁电性的第一性原理研究

在广义梯度近似下，利用超软赝势对立方相和四方相BaTiO3晶胞中Ti原子沿c轴位移时体系的能量、原子间电子云重叠布局数和各原子上的净电荷等进行了自洽计算.结果显示，当Ti原子沿c轴位移0012nm时，四方相BaTiO3体系能量最低，其自发极化强度为0261C/m2，该结果与实验数据相符合；同时表明，O原子的2p轨道和Ti原子的3d轨道的杂 化是BaTiO3晶体出现铁电性的重要原因. 关键词： 四方相BaTiO3 铁电性 位移 态密度     

四方相BaTiO3铁电性的第一性原理研究

在广义梯度近似下,利用超软赝势对立方相和四方相BaTiO3晶胞中Ti原子沿c轴位移时体系的能量、原子间电子云重叠布局数和各原子上的净电荷等进行了自洽计算.结果显示,当Ti原子沿c轴位移0.012nm时,四方相BaTiO3体系能量最低,其自发极化强度为0.261C/m2,该结果与实验数据相符合;同时表明,O原子的2p轨道和Ti原子的3d轨道的杂化是BaTiO3晶体出现铁电性的重要原因.     

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.     

α-Al2O3(0001)基片表面结构与能量研究

对α-Al2O3(0001)晶体表层三种不同终止原子结构的计算模型,在三维周期边界条件下的κ空间中,采用超软赝势平面波函数描述多电子体系.应用基于密度泛函理论的局域密度近似,计算了不同表层结构的体系能量,表明最表层终止原子为单层Al的表面结构最稳定.对由10个原子组成的菱形原胞进行了结构优化,得到晶胞参数值(a0＝0.48178nm)与实验报道值误差小于1.3%.进一步计算了超晶胞(2×2)表面弛豫,弛豫后原第2层O原子层成为最表层; 对不同表层O,Al原子最外层电子进行了布居分析,表面电子有更大的概率被定域在O原子的周围,表面明显地表现出O原子的电子表面态.     

金红石型TiO2点缺陷性质的第一性原理研究

本文运用基于局域密度泛函和赝势的第一性原理方法研究了金红石相TiO2点缺陷的电子性质,结果表明氧空位缺陷使晶体的费米能量升高,在能隙中没有产生杂质能级.钛空位缺陷使晶体的费米能量降低,并在价带顶部产生了一个杂质能级,与价带顶能量相差约0.4 eV.本文还计算了金红石相TiO2在具有氧空位和钛空位点缺陷情况下的键长变化、态密度和电荷布居状况.     

KDP晶体本征中性点缺陷的第一性研究

 用第一性原理研究了KH2PO4(KDP)晶体中性本征点缺陷的形成能并计算了常温下点缺陷的浓度。计算得到中性填隙氢原子的形成能为2.05 eV，进而得到298 K下的浓度约为1.21×10^-17 mol/L。由于填隙氢原子在带隙中形成缺陷能级，并使能隙降低了2.6 eV, 因此消除填隙氢原子有利于提高晶体在355 nm附近的激光损伤阈值。计算得到的氧间隙、氧空位、钾空位和氢空位的形成能分别为0.60、5.25、6.50 和6.58 eV，常温下它们在晶体中也以较高的浓度存在。钾空位使晶胞体积增大约3.2%，并可能提高晶体电导率，从而降低光损伤阈值。P取代K的反位结构缺陷形成能尽管较低(4.1 eV), 但由于晶体生长溶液中P是以PO4四面体的形式存在，故此点缺陷的存在几率很小。     

含氧空位锐钛矿TiO2光学性质的第一性原理研究

为了研究锐钛矿TiO2晶体中氧宅位对光学性质的影响,利用基于局域密度泛函理论框架下的广义梯度近似平面波超软赝势方法.用第一性原理对含氧空位锐钛矿TiO2晶体进行了结构优化处理.计算了完整的和含氧空位锐钛矿TiO2晶体的电子态密度、复数折射率、介电甬数及吸收光谱的偏振特性.二者比较发现,引入氧空位后,锐钛矿TiO2的电子结构发生了变化,电子总态密度的费米面进入了导带,引起了莫特相变;含氧空位的锐钛矿TiO2晶体的Ti 3d态大约在-6.097 eV处出现了新的劈裂峰值.两种模型的介电函数虚部、吸收光谱以及复折射率的实部,它们的峰值位置一一对应.说明它们之间存在着内在的联系,这些都与电子态密度分布直接相关.理论分析和计算发现二者的介电函数虚部和吸收光谱峰值位置移动是弛豫效应影响的结果,同时,峰值大小变化是电子跃迁的几率来决定的.晶体的各向异性是由晶体结构的对称性决定的.     

Cu 表面性质的第一性原理分析

采用第一性原理赝势平面波方法, 计算并详细分析了面心立方Cu晶体及其 (100), (110) 和 (111) 这3个低指数表面的原子结构、 表面能量及表面电子态密度. 表面能的计算结果表明, Cu (111) 表面的结构稳定性最好, Cu (100) 表面次之, Cu (110)表面的结构稳定性最差. 3个表面的表面原子弛豫量随着层数的增加而逐渐减弱. Cu (110) 表面的最表层原子相对收缩最大, Cu (100)表面次之, Cu (111) 表面的最表层原子相对收缩最小. 表面原子弛豫不仅引起表面几何结构的变化, 而且使表面层原子的电子态密度峰形相对晶体内部发生变化, 这是表面能产生的主要原因, 而Cu (110)表面相对于Cu (100)与Cu (111)表面具有高表面活性的主要原因则源于其表面层原子电子态密度在高能级处的波峰相对晶体内部显著的升高. 关键词： Cu 晶体 表面结构 表面能 态密度     

α-Al2O3(0001)基片表面结构与能量研究

对α-Al₂O₃(0001)晶体表层三种不同终止原子结构的计算模型， 在三维周期边界条件下 的κ空间中，采用超软赝势平面波函数描述多电子体系.应用基于密度泛函理论的局域密度 近似，计算了不同表层结构的体系能量，表明最表层终止原子为单层Al的表面结构最稳定. 对由10个原子组成的菱形原胞进行了结构优化，得到晶胞参数值(a₀＝0.48178n m)与实验 报道值误差小于1.3%.进一步计算了超晶胞(2×2)表面弛豫，弛豫后原第2层O原子层成为最 表层； 对不同表层O，Al原子最外层电子进行了布居分析，表面电子有更大的概率被定域在 O原子的周围，表面明显地表现出O原子的电子表面态. 关键词： 2O₃(0001)')" href="#">α-Al₂O₃(0001) 超软赝势 表面结构 表面态     

金红石TiO_2中本征缺陷扩散性质的第一性原理计算

基于密度泛函理论的爬坡弹性带方法,对金红石相二氧化钛晶体中钛间隙、钛空位、氧间隙、氧空位4种本征缺陷的扩散特征进行了研究.对比4种本征缺陷在晶格内部沿不同扩散路径的过渡态势垒后发现,缺陷扩散过程呈现出明显的各向异性.其中,钛间隙和氧间隙沿[001]方向具有最小的扩散势垒路径,激活能分别为0.505 eV和0.859 eV;氧空位和钛空位的势垒最小的扩散路径分别沿[110]方向和[111]方向,激活能分别为0.735 eV和2.375 eV.     

Surface and defect structure of oxide nanowires on SrTiO3

Processing the SrTiO(3)(001) surface results in the self-assembly of reduced titanate nanowires whose widths are approximately 1 nm. We have imaged these nanowires and their defects at elevated temperatures by atomic resolution scanning tunneling microscopy. The nanowire structure is modeled with density functional theory, and defects observed in the center of the nanowire are determined to be Ti(4)O(3) vacancy clusters. The activation energy for Ti(4)O(3) vacancy cluster diffusion is explicitly measured as 4.98±0.17 eV with an exponential prefactor of μ=6.57×10(29) (s(-1).     

Oxygen vacancy clustering and electron localization in oxygen-deficient SrTiO(3): LDA + U study

We find, using a local density approximation +Hubbard U method, that oxygen vacancies tend to cluster in a linear way in SrTiO(3), a prototypical perovskite oxide, accompanied by strong electron localization at the 3d state of the nearby Ti transition metal ion. The vacancy clustering and the associated electron localization lead to a profound impact on materials properties, e.g., the reduction in free-carrier densities, the appearance of characteristic optical spectra, and the decrease in vacancy mobility. The high stability against the vacancy migration also suggests the physical reality of the vacancy cluster.     

Theoretical study of the effects of vacancy and oxygen impurity on Ti_2GaC

This paper presents the mono-vacancy formation and migration energies of each element Ti, Ga, and C in the MAX phase Ti2GaC, which are obtained by first principles calculations. We also calculate the formation energies of oxygen substituting for Ti, Ga, and C and two formation energies of oxygen interstitial in different sites. The results show that the formation energy of oxygen substituting for Ti is the highest, and the formation energies of the O substitution for Ga atoms decrease as the oxygen concentration increases. The two different formation energies of one oxygen interstitial show that the stable site for the oxygen interstitial is at the center of the triangle composed by three Ga atoms. The effects of vacancy,oxygen substitution, and the interstitial on the electronic properties of Ti2GaC are also discussed in light of the density of states and the electron charge density.     

Electrical property effect of oxygen vacancies in the heterojunction of LaGaO_3/SrTiO_3

Density functional theory within the local density approximation is used to investigate the effect of the oxygen vacancy on the LaGaO_3/SrTiO_3(001) heterojunction. It is found that the energy favorable configuration is the oxygen vacancy located at the 3~(rd) layer of the STO substrate, and the antiferrodistortive distortion is induced by the oxygen vacancy introduced on the SrTiO_3 side. Compared with the heterojunction without introducing oxygen vacancy, the heterojunction with introducing the oxygen vacancy does not change the origin of the two-dimensional electron gas(2DEG), that is, the 2DEG still originates from the d_(xy) electrons, which are split from the t~(2g) states of Ti atom at interface; however the oxygen vacancy is not beneficial to the confinement of the 2DEG. The extra electrons caused by the oxygen vacancy dominantly occupy the 3d_(x~2-y~2) orbitals of the Ti atom nearest to the oxygen vacancy, thus the density of carrier is enhanced by one order of magnitude due to the introduction of oxygen vacancy compared with the density of the ideal structure heterojunction.     

静电纺丝纳米ZrO_2:Ti纤维的制备与发光性质的研究

通过静电纺丝和高温煅烧相结合的方法制备了一维钛掺杂氧化锆的纳米纤维。复合纤维在1 000℃煅烧后,由于模板剂、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)在高温下的分解,纤维直径大大减小,扫描电镜观察最终得到直径100 nm左右的单斜相纤维。利用稳态光谱和时间分辨光谱技术室温下研究了纤维的光致发光性质。结果表明发射主峰在467 nm的宽带,在350 nm处有一个小肩峰。两种不同的发光行为可以通过ZrO2∶Ti纳米纤维中存在的两种情况的氧空穴作为电子俘获中心来解释。一种由电荷补偿产生的氧空位,俘获电子,产生467 nm处Ti参与的发光现象。另外一种ZrO2表面缺陷导致的氧空穴,对应于350 nm的发光现象,没有发现长余辉现象。测得的激发态寿命短于体材料而长于普通的纳米晶,可能是由于一维纳米结构的独特性质导致的。     

LaAlO_3/SrTiO_3界面增强光伏效应

探索LaAlO_3/SrTiO_3(LAO/STO)界面产生的新奇物理特性对理解关联电子系统中多自由度耦合和设计功能材料器件具有重要的价值.本文通过脉冲激光沉积方法在SrTiO_3基底上制备了LAO/STO薄膜,研究了正面照射LAO/STO膜面和侧面照射LAO/STO界面时的光伏效应,探讨了LAO/STO界面对光伏效应的影响.研究结果表明,在同样光照能量下侧面照射LAO/STO界面产生的光电压远高于正面照射LAO/STO膜面产生的光电压,说明LAO/STO界面对光伏效应有明显的增强作用.通过偏压调控可以进一步增强照射LAO/STO界面产生的光电压,当偏压为60 V时, LAO/STO样品的位置探测灵敏度达到了36.8 mV/mm.这些研究结果为设计场调控位置敏感探测器等新型光电子器件提供了新的思路.     

A DFT + U description of oxygen vacancies at the TiO2 rutile (1 1 0) surface

Experimental observations indicate that removing bridging oxygen atoms from the TiO₂ rutile (1 1 0) surface produces a localised state approximately 0.7 eV below the conduction band. The corresponding excess electron density is thought to localise on the pair of Ti atoms neighbouring the vacancy; formally giving two Ti³⁺ sites. We consider the electronic structure and geometry of the oxygen deficient TiO₂ rutile (1 1 0) surface using both gradient-corrected density functional theory (GGA DFT) and DFT corrected for on-site Coulomb interactions (GGA + U) to allow a direct comparison of the two methods. We show that GGA fails to predict the experimentally observed electronic structure, in agreement with previous uncorrected DFT calculations on this system. Introducing the +U term encourages localisation of the excess electronic charge, with the qualitative distribution depending on the value of U. For low values of U (?4.0 eV) the charge localises in the sub-surface layers occupied in the GGA solution at arbitrary Ti sites, whereas higher values of U (?4.2 eV) predict strong localisation with the excess electronic charge mainly on the two Ti atoms neighbouring the vacancy. The precise charge distribution for these larger U values is found to differ from that predicted by previous hybrid-DFT calculations.     

氧空穴导致二氧化钒低温相带隙变窄

具有一定能量的光照导致低温绝缘二氧化钒(VO_2)发生绝缘体金属转变.本文通过密度泛函理论的Heyd-Scuseria-Ernzerhof杂化泛函方法对含氧空穴的低温绝缘VO_2非磁M1相进行第一性原理研究.研究发现,含氧空穴的M1的晶格参数几乎不变,但氧空穴附近的长的V—V键长却变短了.进一步研究发现,尽管纯的非磁M1的带隙是0.68 eV,但含O1和O2位的氧空穴非磁M1带隙分别为0.23 eV和0.20 eV,同时含有O1和O2位氧空穴非磁M1带隙为0.15 eV,这很好地解释了实验结果.