CdTe(110)表面原子与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计算了CdTe(110)表面的原子和电子性质.结果表明,CdTe(110)理想表面在禁带中出现两个明显的表面态,弛豫后表层Cd原子和Te原子p态电子发生转移,Cd原子趋向于sp2平面杂化构型,Te原子趋向p3杂化的锥形构型.经过表面弛豫大大降低了表面能,增大了表面功函数,表面占据态和表面空态分别被推进价带顶之下和导带底之上,导致弛豫表面没有明显的表面态.     

Fe对InP材料电子结构及光学性质的调控机理研究

采用基于密度泛函理论的线性缀加平面波(FLAPW)方法,研究了3d族过渡金属元素Fe对Ⅲ-Ⅴ族半导体InP的电子结构和光学性质的调控机理,并对其能带结构和电荷密度分布进行了分析.结果表明,InP为直接带隙半导体,其价带主要由P-3s和3p态构成,而导带则由In-5s电子态构成.当Fe元素替代In原子后,由于Fe和P原子的轨道杂化作用,InP带隙中出现杂质态,Fe-3d态产生自旋极化效应.随着Fe的掺杂浓度增大,Fe-P原子之间轨道杂化作用明显增加,费米能级逐渐进入价带,这导致了材料的电子跃迁几率提高,光学吸收边明显增强,跃迁峰发生红移.     

ZnO能带及态密度的密度泛函理论研究

本文采用基于密度泛函理论框架下第一性原理的平面波赝势方法,并采用局域密度近似(LDA)理论和ABINIT软件对ZnO电子结构进行了计算.得到了ZnO的能带和态密度曲线.研究表明,ZnO的价带基本上可以分为三个区域,即下价带区、上价带区和位于-18.1 eV处的宽度为1.1 eV的价带;导带部分主要是由Zn的4s态贡献的,O的2p态在该区域内具有微弱的贡献;ZnO是一种直接宽禁带半导体,导带底和价带顶位于布里渊区中心处,带隙为0.9 eV,相对比较该结果优于一些文献给出的计算值.     

S-La共掺杂ZnO性能的第一性原理研究

采用基于广义梯度近似的第一性原理方法,研究了纯ZnO、S单掺、La单掺和S-La共掺ZnO的能带结构、态密度和光学性质。S单掺ZnO后,价带和导带同时向低能量转移,导致带隙减小。La单掺ZnO后在导带底产生杂质能级使得带隙减小。S-La共掺ZnO导致La的局部化减弱,表明La形成的施主能级由于S的3p态的影响变得更浅,从而减小了带隙。和纯ZnO相比,掺杂后的ZnO吸收系数和反射系数都减小,导致透射能力增强,为ZnO作为透明导电氧化物应用于太阳能电池提供了潜在的理论依据。     

应变对Mo2C(001)表面电子结构及光学性质的影响

采用第一性原理方法研究应变对Mo₂C(001)表面电子结构及光学性质的影响。研究表明,在应变作用下Mo₂C(001)表面均为间接带隙半导体,带隙随着压应变和拉应变的增加而减小。当应变为-20%时,Mo₂C(001)表面由间接带隙半导体转变为金属性质。当应变为-20%、-15%、-10%、-5%、0%、5%、10%、15%、20%时,其带隙分别为0 eV、0.162 eV、0.376 eV、0.574 eV、0.696 eV、0.708 eV、0.604 eV、0.437 eV、0.309 eV。带隙变化的原因主要是Mo 4p、4d、5s态电子和C 3p态电子对应变敏感,在应变作用下受激发,活性增强导致价带顶在布里渊区G、A、L、M点之间变化,导带底在K、H点之间变化;当应变由-15%逐渐变化到20%时,吸收谱的第一峰逐渐减弱,并且第一峰对应的光电子能量减小,吸收带边向低能方向移动,表明光吸收随着压应变增大而增加,吸收带边随着拉应变增加向低能方向移动。其他光学性质表现出类似的变化规律,光学性质计算结果表明应变能够有效调节光吸收特性,增强光学利用率,研究结果为Mo₂C(001)作为新型光电子材料的应用提供理论支撑。     

ZnAl2O4的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的第一性原理方法对ZnAl2O4的能带结构、态密度、布居分布及光学性质进行了理论计算。结果表明:ZnAl2O4为直接带隙半导体,能带宽度为3.91 eV;价带主要由O2p态和Zn3d态构成,导带主要由Al3s,3p态构成;ZnAl2O4为离子和共价兼有的化合物;并利用计算的能带结构和态密度分析了ZnAl2O4材料的复介电函数,光电导率,折射率以及消光系数等光学性质。且静态介电函数ε1(0)=3.35,静态折射率n0=1.83。     

P和Al掺杂立方相Ca2Si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的第一性原理平面波超软贋势方法,分别计算了立方相Ca2Si及掺杂P、Al的电子结构和光学性质.结果表明:立方相Ca2Si是带隙为0.55483 eV的直接带隙半导体,价带主要由Si的3p和Ca的3d、4s态电子构成,导带主要由Ca 的3d、4s和Si的3p态电子共同构成,静态介电常数为11.92474,折射率为3.45322.Ca2Si掺P后,Ca2Si转变为n型半导体,其带隙值是0.42808 V,价带主要由Si、Al的3p和Ca的3d、4s态电子构成,导带主要由Ca的3d、Al的3p、3s和Si的3p态电子构成.静态介电常数为7.92698,折射率为2.81549.掺Al后, Ca2Si转变为n型半导体,带隙值是0.26317 eV,费米面附近的价带主要由Si、P的3p和Ca的3d态电子构成,导带主要由Ca的3d 4s、P的3p、3s和Si的3p态电子构成.静态介电常数为17.02409,折射率为4.12603.掺P和Al均降低Ca2Si的反射率,提高Ca2Si的吸收系数,提高Ca2Si的光利用率.说明掺杂能够有效地改变Ca2Si的电子结构和光学性质,为Ca2Si材料的研发和应用提供理论依据.     

ZnO(110)单层膜对O的自吸附及其电子结构的研究

基于密度泛函理论方法研究分析了一种Zn顶位吸附O的ZnO(110)-O二维膜材料的结构、结合性质、磁性质、电子结构和光吸收性质.结果表明,ZnO(110)二维膜经过O吸附之后,Zn-O键长分别增大到0.1992 nm和0.1973 nm,Zn-O链之间的距离减小到0.5628 nm,O-Zn-O键角度为108.044°,ZnO(110)膜Zn顶位对O原子的吸附为倾斜的吸附.经过Zn顶位O的吸附,ZnO(110)二维膜内原子间离子性结合性增强,吸附的O与Zn也形成偏离子性结合键,Zn顶位吸附O原子之后能量有所降低,吸附体系为反铁磁性材料.O吸附的ZnO(110)-O二维膜为间接带隙型材料,带隙宽度为0.565 eV.材料中的p电子对费米能处态密度贡献较多.ZnO(110)-O二维膜最高吸收峰位于156 nm,吸收率为67181光吸收单位,其在445 nm以上具有宽的强吸收带.     

(AlxGa1-x)2O3结构、电子和光学性质的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了不同Al掺杂浓度β-Ga₂O₃(即(Al_xGa_1-x)₂O₃)的晶体结构、电荷密度分布、能带结构、态密度和光学性质，并对本征β-Ga₂O₃和不同Al掺杂浓度的β-Ga₂O₃的计算结果进行了分析对比。结果表明，随着Al掺杂浓度的增加，(Al_xGa_1-x)₂O₃的晶格常数和键长均单调减小，而带隙逐渐增大。β-Ga₂O₃导带底上方存在主要由Ga 4s和Al 3p轨道组成的中间带，Al掺杂在此中间带引入杂质能级，从而导致带隙增加。同时，Al的引入使态密度向高能侧偏移了近3 eV,也导致了带隙的增加。根据光学性质的计算结果，在掺杂Al后，介电函数的虚部和吸收系数均观察到明显的蓝移现象。这是由价带顶中的O 2p...     

Mg掺杂浓度对GaN电子结构和光学性质的影响

基于密度泛函理论的第一性原理,分析了Mg掺杂浓度对GaN晶格参数、能带结构、电子态密度和光学性质的影响.研究表明:Mg掺杂GaN体系,晶格常数增大,禁带宽度增加,而且禁带宽度随着Mg含量的增加而增加,同时N2p和Mg2p态电子轨道的相互杂化,从而在费米能级附近引入受主能级,随着Mg含量的增加,费米能级进入价带的位置加深,同时Mg掺杂浓度越高,价带和导带带宽越窄.掺Mg后在介电函数和光学吸收谱的低能区和高能区均出现了新的介电峰,这些峰的出现和禁带中的杂质能级到导带底的跃迁有关,由于带隙的增加使介电峰向高能量方向发生偏移.     

3 C-SiC表面电子结构及光学性质的第一性原理计算

采用第一性原理对3C-SiC块体和3C-SiC(111)、(110)和(100)三个表面的电子结构和光学性质进行理论计算.计算结果表明:3C-SiC块体是带隙为1.44 eV的G-M间接带隙半导体,3C-SiC(111)表面是带隙为2.05 eV的M-G间接带隙半导体,3C-SiC(110)表面形成带隙值为0.87 eV的直接带隙半导体;3C-SiC(100)表面转变为导体.由光学性质分析得到,与3C-SiC块体比较,3C-SiC(100)、(110)、(111)表面的介电函数,吸收谱,反射谱,能量损失函数等均出现红移.     

Sn1-xNxO2材料光电性质的研究

基于密度泛函理论的第一性原理,采用广义梯度近似(GGA)下的线性缀加平 面波(FP-LAPW)方法,应用WIEN2K软件计算了超晶胞结构Sn1-xNxO2材料的总态密度、能带结构和光学折射率及介电函数虚部.计算结果表明掺杂后费米能级向低能方向移动,随着掺杂量的增加,Sn1-xNxO2材料的价带和导带的分裂程度增强,禁带宽度逐渐减小,并且在1.35～ 2.50 eV的能量范围上形成了杂质带,其主要来源是N的2p态上的电子.分析Sn1-xNxO2材料的能带结构可知掺杂前后均是直接跃迁半导体,掺杂后其介电函数谱和折射率也与带隙相对应地发生红移,介电谱的跃迁峰与电子从价带到导带的跃迁有关,从理论上指出光学性质与电子结构之间的内在关系.     

拉伸变形对硅纳米管电子结构和光学性能的影响

采用基于密度泛函理论的CASTEP程序,对单壁手扶椅型(6,6)硅纳米管施加不同程度的拉伸变形,研究其电子结构和光学性质.研究发现,拉伸变形使得硅纳米管的Si-Si键长增加,布居数减小,稳定性降低.拉伸变形过程中,导带底的电子明显向低能区偏移,而价带顶的电子向高能区移动,从而能隙宽度减小.同时,由于共价键对价带电子的束缚度降低,价电子更容易受激发向导带跃迁.拉伸变形能够增大硅纳米管的静态介电常数和实数部的吸收宽度,并使介电函数虚数部在低能区发生红移,从而硅纳米管的能隙宽度减小.在近紫外光波段,红外和可见光波段硅纳米管的发光效率随拉伸变形量的增加而提高.研究结果为硅纳米管在光电器件的应用提供理论基础.     

金属纳米线填充氮硼碳纳米管电子结构与光学性质的研究

基于第一性原理、密度泛函理论,通过CASTEP模块对填充金,银,铜纳米线的氮硼碳纳米管进行计算,研究其电子结构及光学性质.发现填充不同金属,稳定性由高到低分别为铜填充氮硼纳米管,银填充氮硼纳米管,金填充氮硼纳米管;体系能带图中带隙为零,即金属填充的氮硼纳米管使得本征(8,0)碳纳米管由半导体性转变为金属性;态密度分布中,价带处态密度主要由金属元素的d轨道和氮硼纳米管的s,p轨道贡献,导带处的态密度主要为氮硼纳米管的p轨道贡献;通过差分电荷密度图得知,填充金属的氮硼纳米管中共价键,离子键,金属键共存,光学性能中吸收系数峰值均增大,反射系数均出现红移.     

硒化镉纳米线在应力作用下的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算分析了不同横向尺寸的硒化镉(cdse)纳米线在拉伸和压缩单轴应力作用下的能带结构、载流子(电子和空穴)的有效质量以及迁移率的变化.计算结果表明,CdSe纳米线在施加应变或改变横向尺寸时,均表现为直接带隙半导体.随着压缩应变(0;～-10;)和拉伸应变(2;～10;)的增加,CdSe纳米线的带隙逐渐减小,但横向尺寸小的纳米线的带隙相对宽些.导带底电子迁移率随着应变从-10;至10;变化而逐渐减小,而价带顶空穴迁移率在施加应变从4;至10;变化时也缓慢减小.直径为1.2 nm的CdSe纳米线在施加的压缩应变为-10;时,电子和空穴迁移率最大,分别为2890em2·V-1·s-1和2273 cm2·V-·s-1.因此,横向尺寸较小的CdSe纳米线在合适的压应力调控下有望成为一种制备高性能新型纳米电子器件的候选材料.     

理论研究Stone-Wales缺陷和C掺杂对手性BN纳米带的带隙调控

通过第一性原理密度泛函理论的方法,研究了Stone-Wales 缺陷和C掺杂对手性BN纳米带的带隙调控.结果表明,Stone-Wales 缺陷使得BN纳米带的价带顶(VBM)和导带底(CBM)的占据态发生变化,从而引入了缺陷能级降低了带隙,但Stone-Wales 缺陷的个数对带隙的大小影响不明显.电子结构计算表明,带Stone-Wales 缺陷的BN纳米带的缺陷能级主要是由VBM附近形成N-N原子的类π键轨道和CBM附近形成B-B原子的类σ键分布决定.通过在带Stone-Wales 缺陷的BN纳米带中引入C掺杂改变杂质能级的分布,在VBM附近形成了C-C原子的类σ键轨道和CBM附近形成了C-B原子的类σ键,这样可以进一步降低BN纳米带的带隙,拓展了BN纳米带的应用.     

不同浓度Nb掺杂ZnO第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了不同浓度Nb掺杂ZnO的能带结构及性能,并对本征ZnO、Al掺杂ZnO(AZO)和Nb掺杂ZnO(NZO)的模拟结果进行对比分析。结果表明:(1)NZO和AZO的带隙值均低于本征ZnO的带隙值,掺杂浓度(原子数分数)同为6.25%的NZO的带隙值低于AZO的带隙值。随着Nb掺杂浓度增高,NZO的导带底明显降低,态密度峰值降低,且Nb-4d态电子占据了费米能级的主要量子态。(2)随着掺杂浓度的增加,NZO和AZO吸收峰和介电函数峰均降低,且向低能区移动,其中,NZO吸收峰向低能区移动更明显,且介电函数虚部分别在0.42 eV和34.29 eV出现新的峰,主要是价带中Nb-4d和Nb-5p电子能级跃迁所致。掺杂浓度同为6.25%的NZO的静介电常数大于AZO的静介电常数,表明NZO极化能力更强,NZO可以更有效改善ZnO的光电性能。随着Nb掺杂浓度增加,NZO的吸收系数和介电函数虚部强度增加且向高能区移动。NZO的模拟结果为高价态元素Nb掺杂ZnO的实验研究工作及实际应用提供了理论参考。     

Mo掺杂Mn4Si7的光电性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法,计算了Mn4Si7及Mo掺杂Mn4Si7的电子结构和光学性质.计算结果表明Mn4 Si7的禁带宽度Eg=0.804 eV,Mo掺杂Mn4Si7的禁带宽度Eg=0.636 eV.掺杂使得Mn4 Si7费米面附近的电子结构发生改变,导带底由Γ点转移为Y点向低能方向下偏移,价带顶向高能方向上偏移,带隙变窄.计算还表明Mo掺杂Mn4Si7使介电函数、折射率、吸收系数及光电导率等光学性质增加.     

C-X(X=Y,Zr)共掺杂SnO2电子结构的第一性原理研究

基于第一性原理方法研究了C单掺杂SnO2和C-X(X=Y,Zr)共掺杂SnO2的能带结构、态密度以及分电荷分布.结果表明:C掺杂、C-Y、C-Zr共掺杂SnO2的带隙值分别为1.109 eV、1.86 eV、1.214 eV,较超胞结构的带隙值降低,有利于电子的跃迁;C-Y共掺杂SnO2的导带底部有3条杂质能级分离出来,C-Zr共掺杂SnO2的能带价带顶部能级中有3条能级分离出来,其中1条能级贯穿费米能级;C-Y,C-Zr共掺杂SnO2的态密度中在低能区会产生1个态密度峰值,部分态密度的峰值由Y、Zr的d轨道贡献;C-Y、C-Zr共掺杂SnO2会打破SnO2电子平衡状态,致使电荷的重新分布.     

ZCSC和CMSC晶体热学性质的理论研究

采用密度泛函理论计算了ZnCd(SeCN)4(简称ZCSC)和CdHg(SeCN)4(简称CMSC)晶体的声子色散谱、声子态密度,系统研究了这两种晶体的比热容、热膨胀率、热导率、热扩散率等热学性质.理论计算得到常温下ZCSC和CMSC晶体的比热容分别为0.454 J·g-1·K-1和0.374 J·g-1·K-1,而本文通过差示扫描量热仪实验测量这两种晶体的比热容分别为0.460 J·g-1·K-1和0.306 J·g-1·K-1,理论计算与实验结果相符.研究结果还表明ZCSC晶体的热导率及热扩散率均为CMSC晶体的5～7倍,而ZCSC晶体的热膨胀率约是CMSC晶体的1/3,因此ZCSC晶体是热学性质优异抗激光损伤能力强的非线性光学晶体.