GGA+U方法研究C-Al掺杂GaN的电子结构和光学性质

本文用密度泛函理论的第一性原理，研究了C单掺、Al单掺、C-Al共掺GaN体系的电子结构及光学性质.通过分析发现，与本征GaN相比，掺杂后体系都发生了晶格畸变，其中C-Al共掺GaN体系，较容易形成且禁带宽度明显减小，形成了P型半导体，显著降低了电子跃迁所需要的能量；另外，该共掺体系的静介电常数最大，极化能力最强，介电虚部的主峰向低能区域偏移，并且吸收光谱在可见光范围内产生了红移现象，这都体现了C-Al共掺可以拓展GaN体系对可见光的响应范围.因此，C-Al共掺将有望提高GaN体系的光催化性能.     

基于密度泛函理论下O和Na掺杂单层h-BN的电子结构性质和光学效应的分析

基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了O、Na单掺杂及O和Na共掺杂单层h-BN的形成能、电子结构和光学性质.结果表明:单掺杂体系中,O掺杂N位置、Na掺杂B位置时,掺杂形成能最低;共掺杂体系中,O和Na邻位掺杂,掺杂形成能最低.与单层h-BN相比,引入杂质原子后的体系禁带宽度均减小,其中O掺杂为n型掺杂,Na掺杂为p型掺杂,而O和Na共掺h-BN体系为直接带隙材料,有利于提高载流子的迁移率.在光学性质方面,Na掺杂h-BN体系与O和Na共掺h-BN的静介电常数均增大,在低能区介电虚部和光吸收峰均发生红移,其中Na掺杂体系红移最为显著,极化能力最强.因此Na单掺和O和Na共掺有望增强单层h-BN的光催化能力,可扩展其在催化材料、光电器件等领域的应用.     

B,P掺杂β-Si3N4的电子结构和光学性质研究

运用第一性原理方法, 计算了B, P两种元素单掺杂和共掺杂的β -Si₃N₄材料的电子结构和光学性质. 结果表明: B掺杂体系的稳定性更高, 而P掺杂体系的离子性更强; 单掺和共掺杂均窄化带隙, 且共掺在禁带中引入深能级, 使局域态增强; 单掺杂体系介电函数虚部、吸收谱和能量损失谱各峰均发生红移、幅值减小, 而共掺后介电函数虚部主峰出现蓝移、能量损失峰展宽、高能区电子跃迁大大增强, 且控制共掺杂的B, P比例可获得较低的带电缺陷浓度.     

Fe, S共掺杂SnO2材料第一性原理分析

本文采用基于第一性原理的全电势线性缀加平面波(FP-LAPW)法, 计算了Fe, S两种元素共掺杂SnO₂材料的电子结构和光学性质. 结果表明: 材料仍为直接禁带半导体, 体系呈现半金属性; Fe, S共掺可以窄化带隙, 且随S浓度增加, 态密度向低能方向移动, 带隙减小; 共掺体系电荷密度重新分布, 随S浓度增加, Fe原子极化程度增强, 原子间键合能力增强. 共掺后介电函数虚部谱与光学吸收谱各峰随S浓度增加而发生红移, 光学吸收边减小.     

过渡金属掺杂GaN的电子结构和光学性质理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法计算不同过渡金属（V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni）掺杂GaN的电子结构及光学性质,分析掺杂对电子结构及光学性质的影响.结果表明,过渡金属掺杂在GaN的禁带中引入杂质能带,除掺Fe体系外其它掺杂体系都表现为半金属性.除掺Fe和Ni体系在低能区没有出现光吸收外,其它体系均在低能区杂质能级处出现光吸收.     

Sc与C共掺杂MgS电子结构与光学性质的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法,对Sc、C单掺以及共掺MgS体系的稳定性、电子结构和光学性质进行了研究,结果表明:与本征MgS体系相比,掺杂后体系的结合能仍为负值,表明掺杂体系均处于稳定状态,其中Sc-C共掺MgS体系的结合能最小,说明Sc-C共掺体系最稳定.掺杂后体系的禁带宽度均减小,表明电子由价带跃迁至导带的能量减小;此外,掺杂体系在低能区均发生了明显的红移现象,表明Sc、C掺杂能够有效的拓宽体系对可见光的响应范围.其中,Sc-C-MgS体系在费米能级附近产生了杂质能级且带隙宽度较小,在可见光范围内的吸收系数最优,可推测Sc-C共掺杂可作为提高MgS体系光催化活性的有效手段.     

Sc与C掺杂MgS电子结构与光学性质的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法,对Sc、C单掺以及共掺MgS体系的稳定性、电子结构和光学性质进行了研究,结果表明：与本征MgS体系相比,掺杂后体系的结合能仍为负值,表明掺杂体系均处于稳定状态,其中Sc-C共掺MgS体系的结合能最小,说明Sc-C共掺体系最稳定。掺杂后体系的禁带宽度均减小,表明电子由价带跃迁至导带的能量减小;此外,掺杂体系在低能区均发生了明显的红移现象,表明Sc、C掺杂能够有效的拓宽体系对可见光的响应范围。其中,Sc-C-MgS体系在费米能级附近产生了杂质能级且带隙宽度较小,在可见光范围内的吸收系数最优,可推测Sc-C共掺杂可作为提高MgS体系光催化活性的有效手段。     

Nd、N掺杂ZnO的电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理,使用GGA+U方法计算出N、Nd分别单掺ZnO及N、Nd共掺ZnO晶体的形成能,能带结构,态密度及光学性质.经过对比发现:N、Nd各掺杂ZnO中,共掺体系比单掺体系更容易形成,其中低浓度掺杂难度更低;共掺体系随着掺杂浓度的升高,其畸变的强度就越强,禁带宽度变窄,电子跃迁到导带上所需的能量更小,光吸收系数较大,并且都产生了红移,光谱响应范围扩展到了整个可见光区域;共掺体系在低能区域的介电谱峰值较高,说明其极化能力较强,光生电场强度较大,会使光激发载流子在晶体内的迁移变快,对电荷的束缚能力增强.因此N、Nd共掺可以有效提升ZnO的光催化性和极化能力.     

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.     

稀土元素(Ce,Pr)掺杂GaN的电子结构和光学性质的理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法计算了稀土元素Ce,Pr掺杂GaN的晶格参数、能带、电子态密度和光学性质,使用LSDA +U的方法处理具有强关联作用的稀土4f态,并分析比较计算结果.计算表明:掺入Ce和Pr后的体系相比未掺杂的GaN晶格常数增大,带隙变窄,并分别在禁带中和价带顶附近引入了局域的杂质能级,该能级主要由Ce和Pr的4f电子提供;掺杂后都发生了磁有序化并产生磁矩;最后定性分析了掺杂前后介电函数和光吸收系数的变化,掺Ce的体系在介电函数和吸收系数的低能区出现了峰值,该峰的出现和禁带中的杂质能级到导带底的跃迁有关,而掺Pr的体系由于带隙变窄使介电峰和吸收边发生红移.     

Electronic structure and optical properties of Al and Mg co-doped GaN

The electronic structure and optical properties of Al and Mg co-doped GaN are calculated from first principles using density function theory with the plane-wave ultrasoft pseudopotential method.The results show that the optimal form of p-type GaN is obtained with an appropriate Al:Mg co-doping ratio rather than with only Mg doping.Al doping weakens the interaction between Ga and N,resulting in the Ga 4s states moving to a high energy region and the system band gap widening.The optical properties of the co-doped system are calculated and compared with those of undoped GaN.The dielectric function of the co-doped system is anisotropic in the low energy region.The static refractive index and reflectivity increase,and absorption coefficient decreases.This provides the theoretical foundation for the design and application of Al–Mg co-doped GaN photoelectric materials.     

稀土元素(La,Y)掺杂GaN的第一性原理计算

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,Y单掺杂和La和Y共掺杂GaN的晶格常数、电子结构及光学性质进行了计算与分析.计算结果表明:掺杂改变了GaN的能带结构,未掺杂和Y掺杂形成导带底和价带顶位于G点的直接带隙半导体,而La掺杂和La和Y共掺杂形成导带底位于G点,价带顶位于Q点的间接带隙半导体.可以通过掺杂元素来调制GaN的禁带宽度和带隙类型,掺杂均提高GaN在低能区的静态介电常数、反射率、折射率,使光子的跃迁强度增大,说明稀土元素La,Y掺杂可有效调制GaN的光电性质.     

First-principles study on electronic and optical properties of S,N single-doped and S-N co-doped ZnO

The electronic and optical properties of undoped, N single-doped, S single-doped, and S-N co-doped ZnO were systematically investigated by first-principles calculations. The lattice parameters of S single-doped and S-N co-doped ZnO clearly increased. After N-doping, a strongly localized impurity energy level of N was formed near the Fermi level at the top of valence band (VB). In S-N co-doped ZnO, the localization of N weakened, and the Fermi level went deeper into the VB, indicating that the acceptor energy level of N formed in S-N co-doped system became shallower due to the effect of 3p state of S. Therefore, S-N co-doping is beneficial to obtain p-type ZnO with a higher hole concentration than N single-doping. Compared with undoped ZnO, the static dielectric constant, absorption coefficient, refractive index, energy loss function, and reflectivity of N single-doped, S single-doped, and S-N co-doped ZnO exhibited an increase in low-energy area.     

Fe掺杂GaN光电特性的第一性原理研究

基于密度泛函理论体系,计算了本征GaN材料和12.5%的Fe掺杂GaN体系的光电特性,分析了晶体结构、能带结构和电子态分布、介电函数、吸收系数、折射率、反射率、能量损失谱和消光系数,从理论上讨论了掺杂对体系光电特性的影响.计算所得理想GaN的禁带宽度为3.41 eV,Fe的重掺杂体系明显变窄,为3.06 eV,但仍为直接带隙半导体.本征GaN材料与Fe掺杂GaN体系的静态介电常数为5.74和6.20,折射率为2.39和2.48,能量损失最大值在20.02 eV和18.96 eV,最大吸收系数能量均在13.80 eV左右.计算结果为Fe掺杂GaN高压光电导开关材料及器件的进一步研究提供了有力的理论依据和实验支持.     

Cu与非金属双受主能级协同作用对TiO2光学特性的影响

采用基于密度泛函理论（DFT）体系下的第一性原理平面波超软赝势方法,研究纯锐钛矿相TiO₂在3d金属杂质Cu与非金属杂质C、N、F单掺及共掺情况下受主能级的协同作用.模拟计算掺杂前后的晶体结构、结合能、缺陷形成能、能带结构、分态密度及光学性质.结果发现：Cu-N共掺杂体系和Cu、N单掺杂体系对可见光的利用比其它体系好.Cu-N共掺体系与Cu、N分别单掺体系相比,有更小的禁带宽度,且浅受主能级上出现了更大的态密度分布.对光学性质的研究发现,Cu-N共掺体系有最高的吸收系数和反射率,因此,该体系对可见光的利用效果最好.其原因是Cu与N元素分别产生受主能级协同作用导致对可见光的响应效果最理想.