S与Hf/Ta/W掺杂锐钛矿相TiO2电子结构和 光学性质的第一性原理研究

运用第一性原理密度泛函理论,计算了S单掺及S和过渡金属X(Hf、Ta、W)共掺锐钛矿相TiO2后的电子结构和光学性质.计算结果表明,S单掺及S和X(Hf、Ta、W)共掺杂锐钛矿TiO2后,带隙变窄,表明掺杂后的体系导电性能增强,其中Ta、W与S共掺后,费米能级穿过导带,表现出n型半导体特征;光学性质结果表明:掺杂后各体系的吸收光谱吸收带边均发生红移,S-Ta共掺和S-W共掺体系红移程度最大,并且在可见光区域出现吸收峰,S-W共掺体系的吸收峰最大,说明了该体系的光催化功能较强.各掺杂体系的反射率主峰均向低能方向移动,共掺移动幅度更大,且S-W共掺体系的反射系数在可见光区最大.各共掺体系的静态折射率依次增大,其中S-Hf共掺体系静态折射率在各体系中最小.     

稀土元素(Nd/Sm/Gd/Dy)掺杂SnO2的第一性原理计算

基于密度泛函理论的第一性原理,计算分析了Nd、Sm、Gd和Dy四种稀土元素掺杂SnO2的电子结构和光学性质.计算结果表明:掺杂稀土元素Nd、Sm、Gd、Dy后,Sn7 XO16体系的晶胞体积及晶格常数都有不同程度的增大,禁带宽度减小,在费米能级附近出现了杂质能级.光学性质方面,掺杂稀土元素Nd、Sm、Gd、Dy后,体系的吸收边都向低能方向移动,发生了红移,拓宽了光谱响应范围,与未掺杂之前相比,掺杂稀土元素Nd后的静态介电常数减小,其余三种体系增大.     

稀土元素(Ce/Nd/Eu/Gd)与N共掺金红石相TiO2的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势计算方法,计算分析了纯金红石相TiO2,Ce、Nd、Eu和Gd四种稀土元素单掺杂金红石相TiO2,以及与N共掺金红石相TiO2的晶体结构、电子结构和光学性质.由掺杂前后的结果分析发现,掺杂后晶胞膨胀,晶格发生畸变;费米能级上移进入导带,导带底部引入杂质能级,提高了掺杂体系的电导率和对可见光的响应;光学性质、介电函数和吸收谱掺杂体系峰值比纯TiO2小,反射谱和能量损耗谱出现红移现象.     

Hf/Ta/W单掺锐钛矿相TiO2的电子结构和光学性质的第一性原理研究

运用第一性原理赝势方法计算过渡金属X(Hf、Ta、W)单掺锐钛矿相TiO2后的电子能带结构、态密度和光学性质.计算结果表明,X掺锐钛矿相TiO2,使得掺杂后体系的体积增大,并随着X掺杂浓度的增加而增大;掺杂体系的禁带宽度都比纯TiO2的要小;由能带图可知,Ta、W单掺后,费米能级进入导带,说明这两种单掺体系属于N型半导体;随着不同浓度Hf、Ta、W的掺入,发现吸收光谱都发生了不同程度的红移,其中Ta、W掺杂体系的光响应范围覆盖了整个可见光区域,对比所有掺杂体系发现Ti0.9375 W0.0833 O2在可见光区域的光响应能力最强,这些现象说明X的掺入大大提升了TiO2光催化能力.     

Fe,Mn共掺SnO2超晶格电子结构和光学性质研究

基于密度泛函理论的第一性原理,采用了广义梯度近似(GGA)处理交换相关势,用Wien2k软件计算了SnO2超晶格掺杂单层Mn、双层Mn及Fe、Mn共掺情况下的态密度、能带结构、光学性质.结果表明SnO2超晶格单掺Mn时,材料表现为半金属性,这是由于Mn-3d与O-2p的耦合作用,而双层Mn掺杂时仅有O-2p提供.随Mn掺杂层数的增加,其光学性质在低能级处的峰值增大,光学吸收边发生红移,材料透光性能增强.当Fe、Mn共掺时,态密度向低能方向移动,能带结构在Fermi能级附近出现自旋极化,材料表现为半金属性,这是由于Fe与Mn强烈耦合所致.材料的吸收谱、反射谱、能量损失图谱变化趋势一致,但共掺杂比单掺时各谱更向低能方向移动.     

GGA+U方法研究C与Ti掺杂GaN的电子结构和光学性质

作为一种优良的半导体材料,GaN所具有的宽禁带导致其只能吸收可见光中的紫光,因此如何增加GaN材料对可见光的利用率是一个值得研究的问题,掺杂是解决这个问题常用的手段。本文利用第一性原理的方法对本征GaN,C单掺、Ti单掺、C-Ti共掺GaN四种体系的电子结构和光学性质做了计算和分析,结果表明:掺杂后的体系都具有良好的稳定性;掺杂后各体系的体积均增大,说明杂质的引入使体系晶格发生畸变,对光生空穴-电子对的分离有促进作用,进而提高材料的光催化性能;杂质元素的引入使体系能级发生劈裂,电子跃迁更加容易;掺杂后各体系的介电函数虚部主峰均向低能区移动,吸收谱均红移至可见光区域,其中共掺体系在蓝绿光区域的吸收系数最大,由此可以推测C-Ti共掺有助于提高GaN的光催化性能。     

(La,Y)掺杂AlN的电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法对纯AlN、(La,Y)单掺杂以及La-Y共掺杂AlN 超胞进行几何结构优化,计算了稀土元素(La,Y)掺杂前后体系的能带结构、态密度和光学性质。结果表明:未掺杂的AlN是直接带隙半导体,带隙值为E_g=4.237 eV,在费米能级附近,态密度主要由Al-3p、N-2s电子轨道贡献电子,光吸收概率大,能量损失较大;掺杂后使得能带结构性质改变,带隙值降低,能带曲线变密集,总态密度整体下移;在光学性质中,稀土元素掺杂后均提高了静态介电常数、光吸收性能,增强了折射率和反射率,减小了电子吸收光子概率及能量损失;其中La-Y共掺体系变化得较为明显。     

Ce、N共掺杂锐钛矿相TiO2光学性能的第一性原理研究

采用密度泛函理论研究了Ce、N共掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构、态密度和光学特性.计算结果表明,不同位置Ce、N共掺杂对TiO2的杂质形成能、带隙和光学性质是有影响的.共掺杂带隙比单掺杂TiO2的更窄,导致电子从杂质能级激发到导带的概率增大,这会提高共掺杂TiO2的光量子效率.Ce、N共掺杂后TiO2吸收带边红移至可见光区的更远处,光学吸收系数比单掺杂时更强,这主要是由Ce、N共掺杂的协同效应引起的.带边位置的计算结果表明掺杂TiO2的强氧化还原能力得到保持.因此,Ce、N共掺后TiO2在可见光区具有良好的光催化性能.     

Cu-I掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理,计算了未掺杂,Cu、I单掺杂以及Cu-I共同掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构和光学性质.结果 表明,Cu、I单独掺杂TiO2都使得吸收带边红移,I单掺时I5p跟O2p态造成禁带宽度变小,吸收带边红移,Cu单掺时Cu的3d态杂质能级引入价带顶部造成禁带宽度变小,吸收带边红移更加明显.对于Cu-I共同掺杂TiO2,Cu主要作用于价带顶,I主要作用于导带底,进而引入杂质能级,使得禁带宽度明显减小,吸收带边明显红移,通过Cu-I协同作用形成电子、空穴俘获中心,有效地阻碍了电子-空穴对的复合,提高了对可见光的催化效率.     

Pt掺杂CdS光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法分析了CdS和Pt掺杂CdS的几何、电子结构和光学性质,计算结果表明Pt掺杂的CdS结构引入了由Pt贡献的导电载流子,增强了CdS的电导率,另外,费米能级下移进入价带.研究表明,Pt掺杂的CdS结构在费米能级附近出现了杂质能级,这是由Pt的5d态电子所形成;在光学性质上,Pt掺杂的CdS在可见光区的吸收系数比理想CdS高,能量损失峰出现红移现象,可见,Pt掺杂的CdS晶体具有更高的光催化活性.     

稀土元素与In共掺对SnO2导电性能影响的第一性原理研究

AgSnO2触头材料中的SnO2近乎绝缘,为了提高触头材料的电性能提出了稀土材料La、Ce、Y和In共掺杂的方法.采用基于密度泛函的第一性原理对SnO2以及单掺杂稀土元素的SnO2和共掺稀土元素和In的SnO2晶胞进行能带和态密度的计算.结果表明:掺杂后的材料仍旧是直接带隙半导体材料,都具有热稳定性,共掺杂可以进一步使得导带底、价带顶向费米能级附近移动,进而窄化带隙;共掺杂比单掺的电子有效质量小,电导率大,其中Y和In共掺杂的导电性最好.共掺杂比单掺稀土元素更能提高AgSnO2触头材料的导电性,为触头材料的发展提供了理论依据.     

Mg-N阴阳离子共掺杂SnO2的第一性原理研究

基于密度泛函理论,利用第一性原理计算Mg-N阴阳离子双受主共掺杂SnO₂的电子结构、电荷密度分布和缺陷形成能.Mg、N分别取代SnO₂晶体中的Sn和O,掺杂浓度分别为4.17at;、2.08at;,Mg-N键之间的共价性明显高于Sn-O键,富氧条件下,Mg-N共掺杂的缺陷形成能为2.67 eV,有利于进行有效的受主替代掺杂.Mg单受主掺杂SnO₂时,增加了带隙宽度,费米能级进入价带,Mg-N共掺杂SnO₂时,带隙窄化,表现出明显的p型导电类型.     

Y,Zr,Nb掺杂对单层MoS2电子结构的影响

本文基于第一性原理的方法研究了Y、Zr、Nb在Mo位掺杂单层MoS2的能带结构和态密度.研究发现:Y、Zr、Nb三种杂质在Mo位掺杂使杂质原子附近的键长发生畸变,畸变最大的是Y掺杂体系;Y、Zr、Nb的掺杂改变了单层MoS2能能带结构,使掺杂体系向导体转变;对于Y、Zr、Nb共掺杂体系,Y、Zr共掺杂增强了单层MoS2导电性能;Y、Nb共掺杂单层MoS2的费米能级穿过杂质能级,此处的能级处于半满状态,容易成为电子的俘获中心;Zr、Nb共掺杂体系的禁带中出现了多条杂质能级,同时导带能量上移;Y、Zr、Nb共掺杂可以很大程度改变单层MoS2材料的电子结构.     

Ag,O共掺实现p型氮化铝纳米管电子结构的第一性原理研究

基于第一性原理的平面波超软赝势法对(6, 0)单壁氮化铝纳米管、Ag掺杂,以及Ag和O共掺纳米管进行了几何结构优化。计算讨论了掺杂前后氮化铝纳米管的能带结构、态密度和差分电荷密度。研究显示:本征氮化铝纳米管、Ag掺杂和Ag-O共掺氮化铝纳米管的带隙分别为2.49 eV、1.84 eV和1.80 eV。掺杂构型仍然保持半导体特性,Ag掺杂氮化铝纳米管的价带顶贯穿费米能级从而形成简并态,实现了氮化铝纳米管的p型掺杂,但Ag-4d态和N-2p态电子轨道间有强烈的杂化效应,Ag的单掺总体上是不稳定的。O掺入后,Ag与O之间的吸引作用克服了Ag原子之间的排斥作用,使Ag在氮化铝纳米管中的掺杂更加稳定;共掺纳米管体系的带隙相较于单掺纳米管体系更加窄化,导电性进一步增强。Ag和O共掺有望成为获得p型氮化铝纳米管的有效方法。     

Nd、N掺杂和Nd/N共掺杂锐钛矿相TiO2电子结构和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研究了 N掺杂, Nd掺杂,和Nd/N共掺杂对锐钛矿相TiO2晶格参数、能带结构、电荷布居、电子态密度和光吸收性质的影响.结果表明,杂质的引入不同程度的改变了TiO2的晶格参数,Nd的掺杂使TiO6八面体畸变最大;N掺杂TiO2使带隙宽度减小,且在价带顶出现杂质能级;Nd掺杂和Nd/N共掺杂不仅使TiO2带隙宽度减小并在其价带和导带之间出现了空带,空带主要由Nd原子的4f轨道能级所贡献;由于禁带宽度的减小和杂质能级的出现使得掺杂后TiO2的吸收光谱的吸收边向可见光方向移动,增加了物质对光吸收的响应范围.     

La掺杂氧空位的α-Bi2O3电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于第一性原理的方法研究了本征α-Bi₂O₃、La掺杂、氧空位掺杂和共掺杂体系的电子结构与光学性质，以期获得性能比较优异的α-Bi₂O₃光催化材料。研究结果表明：掺杂后，体系结构变形较小，其中氧空位(V_O)掺杂和La-V_O共掺杂体系的禁带宽度价带和导带同时下移且在禁带中引入杂质能级，说明掺杂可以减小电子从价带激发到导带所需能量，有利于电子的跃迁。特别是相对于氧空位单掺杂，La-V_O共掺杂使杂质能级向导带底靠近，这个倾向可能使该复合缺陷成为光生电子捕获中心的概率大于成为光生电子-空穴对复合中心的概率；同时，La-V_O共掺杂导致导带底附近的能带弯曲的曲率增大即色散关系增强，从而降低了电子的有效质量，加速电子的运动，因此，La-V_O共掺杂能大幅改善光生电子-空穴对的有效分离。另一方面La-V_O共掺杂在显著扩展可见光吸收范围的同时，还极大地增强了可见光吸收强度。因此，La-V<...     

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。     

Mg,N掺杂β-Ga2O3光电性质的第一性原理计算

通过基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了Mg单掺杂、N单掺杂和不同浓度的Mg-N共掺杂β-Ga₂O₃的结构性质、电子性质和光学性质,以期获得性能比较优异的p型β-Ga₂O₃材料。建立了五种模型:Mg单掺杂、N单掺杂、1个Mg-N共掺杂、2个Mg-N共掺杂和3个Mg-N共掺杂β-Ga₂O₃。经过计算,3个Mg-N共掺杂β-Ga₂O₃体系的结构最稳定。此外,在5种模型中,3个Mg-N共掺杂β-Ga₂O₃体系的禁带宽度是最小的,并且N 2p和Mg 3s贡献的占据态抑制了氧空位的形成,从而增加了空穴浓度。因此,3个Mg-N共掺杂β-Ga₂O₃体系表现出优异的p型性质。3个Mg-N共掺杂体系的吸收峰出现明显红移,在太阳盲区的光吸收系数较大,这归因于导带Ga 4s、Ga 4p、Mg 3s向价带O 2p、N 2p的带间电子跃迁。本工作将为p型β-Ga₂O₃日盲光电材料的研究和应用提供理论指导。