掺杂半导体β-FeSi2电子结构及几何结构第一性原理研究

采用基于第一性原理的密度泛函理论全势线性缀加平面波法，使用广义梯度近似处理交换相关势能，首先计算了β-FeSi₂的电子结构及其各元素各亚层电子的能态密度，β-FeSi₂的电子能态密度主要由Fe的d层电子和Si的p层电子的能态密度确定；其次通过计算不同掺杂系统的总能量确定了掺杂原子在β-FeSi₂中的置换位置，在β-FeSi₂中，Co置换Fe_Ⅱ位置的Fe原子，Al置换Si_Ⅰ位置的Si原子，这种择位置换与现有的计算结果完全一致；最后计算了Fe_1-xCo_xSi₂和Fe(Si_1-xAl_x)₂的电子结构，对它们的电子结构特征进行了分析，并探讨了电子结构对其热电性能(塞贝克系数、电传输及热传输性能)的影响. 关键词： 第一性原理 电子结构 热电性能 2')" href="#">FeSi₂     

稀土元素La掺杂β-FeSi2的几何结构和电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对稀土元素La掺杂β-FeSi2的几何结构、能带结构、态密度进行了理论计算.几何结构的计算表明:La掺杂后使β-FeSi2的晶格常数a、b、c都变大了,使得晶胞体积也相应增大;La掺杂β-FeSi2的置换位置为FeⅡ位.电子结构的计算表明:能带结构为直接带隙,禁带宽度变窄仅为0.013eV;费米面进入价带,能带数目增多,态密度峰值减小,费米面附近载流子浓度显著增大.这些结果为β-FeSi2光电材料掺杂改性的实验和理论研究提供理论依据.     

C掺杂β-FeSi2的电子结构和光学特性研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对C掺杂β-FeSi2的几何结构、能带结构、态密度和光学性质进行了理论计算.几何结构和电子结构的计算表明：C掺杂后使得β-FeSi2的晶格常数a和b减少,c变化不大,晶格体积减小;C掺杂后的β-FeSi2能带结构仍为准直接带隙,禁带宽度变窄,直接带隙与间接带隙的能量差值不变, C的掺杂消弱了Fe的3d态电子,费米能级附近的电子态密度主要由Fe的3d态电子贡献.光学性质的计算表明：与未掺杂时相比,介电函数的实部 减少,虚部 的峰值减少并向高能方向有一微小的偏移,吸收系数有所降低.计算结果为β-FeSi2光电材料的应用和设计提供了理论指导.     

C掺杂β-FeSi2的电子结构和光学特性研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对C掺杂p-FeSi2的几何结构、能带结构、态密度和光学性质进行了理论计算.几何结构和电子结构的计算表明:C掺杂后使得β-FeSi2的晶格常数a和b减少,c变化不大,晶格体积减小;C掺杂后的 β-FeSi2能带结构仍为准直接带隙,禁带宽度变窄,直接带隙与间接带隙的能量差值不变,C的掺杂消弱了Fe的3d态电子,费米能级附近的电子态密度主要由Fe的3d态电子贡献.光学性质的计算表明:与未掺杂时相比,介电函数的实部ε1减少,虚部ε2的峰值减少并向高能方向有一微小的偏移,吸收系数有所降低.计算结果为β-FeSi2光电材料的应用和设计提供了理论指导.     

Co掺杂β-FeSi2电子结构及光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对不同Co含量的β-FeSi2的能带结构,态密度、分态密度和光学性质进行了计算和比较.几何结构和电子结构的计算结果表明,Co掺杂使得β-FeSi2的晶格常数a增大,b和c变化不大,晶格体积增大.Fe1-xCoxSi2的能带结构变为直接带隙,禁带宽度从0.74 eV减小到0...     

Ac掺杂β-FeSi_2光电性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)框架下的第一性原理赝势平面波方法,对锕(Ac)掺杂β-FeSi2的几何结构,电子结构和光学性质进行了计算与分析。几何结构的计算表明:Ac掺杂后β-FeSi2晶格常数a、b及c都有所变化,晶胞体积增大。电子结构的计算表明:Ac掺入后导致费米面进入导带,能带结构仍为准直接带隙,但是带隙明显变窄;费米能级附近,总电子态密度主要由Fe的3d层和Si的3p层电子态密度决定,Ac的6d层电子态密度贡献很小。光学性质的计算表明:静态介电常数ε1(0)明显提高,介电函数的虚部ε2的峰值向低能方向移动并且减弱,折射率n0明显提高,消光系数k向低能方向有一微小的偏移,吸收峰增强,平均反射效应变化不大,计算结果为β-FeSi2材料掺杂改性的实验研究提供了理论依据。     

Finemet合金析出相α-Fe(Si)结构与磁性的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究Finemet合金中析出相α-Fe(Si)的晶体结构与磁性,探讨影响立方结构α-Fe(Si)相磁性能的各个因素. 从电子自旋角度出发,分别计算分析了不同比例的Si置换α-Fe超晶格中不同位置的Fe原子后α-Fe(Si)体系的磁性能. 计算结果表明,自旋态密度是影响磁性能的关键因素. 发现Si置换α-Fe超晶格顶角处Fe原子得到的体系比取代体心位置Fe原子的体系磁性要好. 由此可以得出结论,在一定的含量范围内,随着Si含量的增加,Si出现在α-Fe超晶格中顶角位置的概率增大,α-Fe(Si)相的软磁性能提高,与实验结果相符. 本文的研究工作有助于理解Finemet合金的磁性机理. 关键词： Finemet合金 磁性能 第一性原理 态密度     

Fe9Si的电子结构及铁磁性质的第一性原理研究

采用第一性原理的密度泛函理论（Density Functional Theory）赝势平面波方法, 对Fe9Si的电子结构和铁磁性质进行理论计算。 计算结果表明： (1) Fe9Si具有负的形成热-0.1094 eV/atom, 结合能5.124 eV/atom, 表明Fe9Si合金具有强结合力和结构稳定性; (2) Fe9Si具有典型的金属能带特征, 穿过Fermi能级的能带最主要是Fe的3d态电子的贡献, 其次是来自Si的3p态电子的贡献。 结合键不是单一金属键, 而是金属键和共价键组成的混合键; (3) Fe9Si的铁磁性主要来自Fe原子的未满层壳的3d态电子的自旋。 计算结果为Fe9Si铁磁性材料的设计与应用提供了理论依据。     

纳米β-FeSi2/a-Si多层膜室温光致发光分析

采用射频磁控溅射的方法,在Si(100)基片上制备了纳米β-FeSi2/Si多层结构,利用X射线衍射、透射电子显微镜、光致发光光谱等表征技术,研究了β-FeSi2/Si多层结构的结构、成分和光致发光特性.研究结果表明:利用磁控溅射法得到的Fe/Si多层膜,室温下能够检测到β-FeSi2的1.53 μm处光致发光信号;未退火时多层膜是(非晶的FeSi2+β-FeSi2颗粒)/非晶Si结构,退火后则是β-FeSi2颗粒/(晶体Si+非晶Si)结构;退火前后样品有相同的PL信号强度,说明非晶的FeSi2+β-FeSi2颗粒和β-FeSi2颗粒可以产生同样的发光性能.实验测出1.53 μm处PL信号也进一步证明了非晶FeSi2的半导体性能.     

Fe_9Si的电子结构及铁磁性质的第一性原理研究

采用第一性原理的密度泛函理论(Density Functional Theory)赝势平面波方法,对Fe_9Si的电子结构和铁磁性质进行理论计算.计算结果表明:(1)Fe_9Si具有负的形成热-0.1094 eV/atom,结合能5.124eV/atom,表明Fe_9Si合金具有强结合力和结构稳定性;(2)Fe_9Si具有典型的金属能带特征,穿过Fermi能级的能带最主要是Fe的3d态电子的贡献,其次是来自Si的3p态电子的贡献.结合键不是单一金属键,而是金属键和共价键组成的混合键;(3)Fe_9Si的铁磁性主要来自Fe原子的未满层壳的3d态电子的自旋.计算结果为Fe_9Si铁磁性材料的设计与应用提供了理论依据.     

Mg2Si:Fe 电子结构及磁性的理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法研究了Mg_2Si:Fe体系的电子能带结构、态密度和磁性.结果表明:掺入的Fe原子优先占据晶格中的空隙位,也可能代替晶格中的Mg位.从能带结构和态密度可以看出,当Fe原子位于晶格中空隙位时,系统显示出金属性;当Fe占据Mg位置时,对于自旋向上电子态,体系有一带隙存在,系统呈现明显的半导体特性;对于自旋向下电子态,Fe的替位掺杂在该体系内引入新的杂质能级,杂质能级与导带价带分离,且100%自旋极化.两种位置的杂质,上自旋电子和下自旋电子的态密度均明显不对称,诱导出铁磁性,且铁磁性主要由于Fe的3d态电子诱导产生.Fe位于空隙位时,Fe原子的磁矩为1.69μB;Fe占据Mg位时,Fe原子的磁矩为1.38μB,说明原子磁矩与其所占位置和配位情况有关.     

磁控溅射法合成纳米β-FeSi2/a-Si多层结构

β-FeSi2作为一种环境友好的半导体材料,颗粒化及非晶化正在成为提高其应用性能和改善薄膜质量、膜基界面失配度的有效途径.利用射频磁控溅射法在单晶Si基体上沉积Fe/Si多层膜,合成纳米β-FeSi2/Si多层结构.通过透射电子显微镜、高分辨电子显微术等分析手段,研究了多层结构和制备工艺之间的相互关系.研究结果表明,采用磁控溅射Fe/Si多层膜的方法,不需要退火就可以直接沉积得到β-FeSi2相小颗粒.β-FeSi2相颗粒尺寸在20 nm以下,小的颗粒尺寸导致发光蓝移,带隙宽度变大,Edg值约为0.94 eV.经过850 ℃的真空退火处理后,β-FeSi2相没有发生改变,颗粒尺寸变大、蓝移效果消失,β-FeSi2相小颗粒的尺寸仍小于100 nm,结构的稳定性较好.     

稀土（Y、Ce）掺杂β-FeSi2光电性质的第一性原理研究

基于第一性原理赝势平面波方法,对稀土(Y、Ce)掺杂β-FeSi2的几何结构、电子结构和光学性质进行了计算与分析。几何结构的计算表明,Y 或Ce掺杂后β-FeSi2的晶格常数改变,晶胞体积减小。电子结构的计算表明,掺入稀土后β-FeSi2 费米面附近的能带结构变得复杂,带隙变窄;总电子态密度发生了变化,Y 的4d 轨道电子态密度和Ce的4f轨道电子态密度主要贡献给费米面附近。光学性质的计算结果表明,Y 或Ce 掺杂后β-FeSi2 的静态介电常数明显提高,介电函数虚部ε2 的峰值均向低能方向移动并且减弱,折射率n0 明显提高,消光系数k 的峰值减弱,计算结果为β-FeSi2材料掺杂稀土改性的实验研究提供了理论依据。     

Sc掺杂正交相Ca2Si电子结构及光学性质的第一性原理

采用基于第一性原理的密度泛函理论(DFT)赝势平面波方法,对块体及掺Sc的正交相Ca2Si的电子结构和光学性质进行了系统计算.计算结果表明,掺Sc后的Ca2Si能带向低能端偏移,形成n型半导体,正交相结构能隙变为0.6084eV,相比块体Ca2Si带隙加宽了一倍,但仍为直接带隙半导体.Ca2Si掺杂Sc后,正交相导带主要是Ca的4s、3d态和Sc的3d、3p态电子构成,静态介电常数变大,折射率也变大,吸收系数相比块体在低能段基本无变化,在高能段虽吸收系数减小,但仍保持105数量级且大于β-FeSi2的吸收系数,说明Ca2Si在太阳能电池上具有较好的应用前景.通过掺杂有效调制了Ca2Si的电子结构和光学性质,计算结果为Ca2Si光电材料的设计与应用提供了理论依据.     

外掺非典型富勒烯C64Si的几何结构和电子性质计算研究

采用密度泛函理论(density functional theory, DFT)中的广义梯度近似(generalized gradient approximation, GGA)对非典型富勒烯C64Si的几何结构和电子性质进行计算研究,发现在C64Si可能稳定存在的四种同分异构体中,Si原子吸附在三个直接相邻五边形的公共原子处形成的外掺杂结构是热力学最稳定的结构,即文中定义的C64Si-1,这和Ge等人对 Si原子在C28笼子外部最稳定位置的预测相一致.通过对C64Si-1的能级图、轨道分布和态密度图的分析可知:Si原子的原子轨道对电子最低未占据轨道的贡献比较大,而对电子最高占据轨道的贡献比较小,但是Si原子的局部态密度对C64Si-1整体态密度的影响非常小.对C64Si-1的亲和能和电离能分析得知:外掺Si原子之后,笼子的得电子能力和失电子能力都有所降低.     

稀土La掺杂CrSi_2电子结构与光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对稀土La掺杂CrSi2的几何结构,电子结构和光学性质进行了计算与分析.结果表明,La掺杂后,CrSi2的晶格常数a,b和c均增大,晶格体积增大.La掺杂导致费米面进入价带,带隙明显变窄仅为0.07eV;在费米面附近,La原子的5d层电子态密度只占总态密度很小的一部分,而总态密度仍然由Si的3p层和Cr的3d层电子的分波态密度决定;La掺杂后CrSi2的静态介电常数ε1(0)由28.98增大为91.69,ε2(ω)的两个介电峰均向低能方向偏移且增强,光学吸收边向低能方向移动,吸收峰减小.计算结果为CrSi2材料掺杂改性的实验研究提供了理论依据.     

稀土La掺杂CrSi2电子结构与光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法, 对稀土La掺杂CrSi2的几何结构, 电子结构和光学性质进行了计算与分析. 结果表明, La掺杂后, CrSi2的晶格常数a, b 和c均增大, 晶格体积增大. La掺杂导致费米面进入价带, 带隙明显变窄仅为0.07eV; 在费米面附近, La原子的5d层电子态密度只占总态密度很小的一部分, 而总态密度仍然由Si的3p层和Cr的3d层电子的分波态密度决定; La掺杂后CrSi2的静态介电常数ε1(0)由28.98增大为91.69, ε2(ω)的两个介电峰均向低能方向偏移且增强, 光学吸收边向低能方向移动, 吸收峰减小. 计算结果为CrSi2材料掺杂改性的实验研究提供了理论依据.     

Si掺杂锐钛矿TiO2的第一性原理研究

为了研究Si掺杂对锐钛矿TiO2的电子蛄构和光催化性能的影响,利用基于第一性原理的密度泛函理论计算了纯TiO2及Si掺杂TiO2的杂质形成能、能带结构及态密度.研究蛄果表明,Si的掺杂位置与制备条件有关,富钛和富氧条件下,Si最容易代替TiO2中Ti的位置.几何优化后Si掺杂TiO2超晶胞的晶格参数和晶胞体积都发生一定...     

Nd(Fe,Si)11Cx化合物的全电子计算(x=0,2)

采用基于第一原理的全势能线性缀加平面波加局域轨道((L)APW lo)方法对Nd(Fe,Si)11Cx化合物(x=0,2)的电子结构进行了计算,得到了化合物态密度和磁矩等信息.计算结果表明NdFe9Si2化合物中Si原子主要与4b和32i位Fe原子产生杂化,导致Fe原子磁矩减小.NdFe9Si2C2化合物C原子使32i位Fe原子磁矩进一步降低,同时减弱了Si原子的影响,使得4b位Fe原子磁矩增大.     

Mn掺杂对半金属铁磁体Fe_2Si电磁特性的影响

此文用基于密度泛函理论第一性原理的贋势平面波方法,计算了Fe_2Si及Mn掺杂Fe_2Si体系的能带结构、电子态密度和磁学特性,分析了不同位置Mn掺杂对Fe_2Si电磁特性的影响,获得了纯的和不同位置Mn掺杂的Fe_2Si体系是铁磁体,自旋向上的能带结构穿过费米面表现金属特性,纯Fe_2Si的半金属隙为0.164e V;Mn掺杂在Fe1位时,自旋向下部分转变为A-M间的间接带隙半导体,体系呈现半金属特性,此时磁矩为2.00μB,是真正的半金属性铁磁体;掺杂在Fe2位时,自旋向下部分的带隙值接近于0,体系呈现金属特性;掺杂在Fe3位时,自旋向下部分转变为L-L间的直接带隙半导体,体系呈现半金属特性等有益结果 .自旋电荷密度分布图表明Mn原子的3d电子比较局域,和周围原子成键时3d电子更倾向于形成共价键.体系的半金属性和磁性主要来源于Fe-3d电子与Mn-3d电子之间的d-d交换,Si-3p电子与Fe、Mn-3d电子之间的p-d杂化.这些结果为半金属铁磁体Fe_2Si的电磁调控提供了有效的理论指导.