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。     

Ce3+掺杂CsPbBr3纳米晶的制备与性能

采用热注入法制备Ce³⁺掺杂CsPbBr₃纳米晶,利用XRD、TEM、XPS、UV-Vis、PL、Time-resolved fluorescence spectroscopy、J-V曲线测试等对样品的晶体结构、微观形貌、化学组成、光吸收性能、发光性能、荧光寿命和荧光太阳能集光器(LSC)的光学效率进行表征。实验结果表明:采用热注入法成功制备出分散性良好、平均晶粒大小为12.26 nm的立方相Ce³⁺掺杂CsPbBr₃纳米晶。Ce³⁺掺杂CsPbBr₃纳米晶的光学带隙和荧光发射峰强度随着Ce/Pb摩尔比的增加呈现先增大后减小的变化趋势,当n(Ce)/n(Pb)=0.25时,光学带隙达到最大为2.416 eV,发光强度最强,荧光发射峰由纯CsPbBr₃纳米晶的515 nm蓝移到510 nm,Ce³⁺掺杂CsPbBr₃纳米晶的发光性能与稳定性均得到增强。Ce³⁺掺杂CsPbBr₃纳米晶与聚苯乙烯溶液制备复合薄膜型LSC器件的光学效率ηopt最高达到6.81%。     

P和As掺杂Mn4Si7第一性原理计算

采用第一性原理计算方法,对本征Mn₄Si₇以及P和As掺杂的Mn₄Si₇的电子结构和光学性质进行计算解析。计算结果表明本征Mn₄Si₇是带隙值为0.810 eV的间接带隙半导体材料,P掺杂Mn₄Si₇的带隙值增大为0.839 eV,As掺杂Mn₄Si₇的带隙值减小为0.752 eV。掺杂使得Mn₄Si₇的能带结构和态密度向低能方向移动,同时使得介电函数的实数部分在低能区明显增大,虚数部分几乎全部区域增加且8 eV以后趋向于零。此外掺杂还增加了高能区的消光系数、吸收系数、反射系数以及光电导率,明显改善了Mn₄Si₇的光学性质。     

Y掺杂WS2二维材料的第一性原理研究

WS₂由于其优异的物理和光电性质引起了广泛关注。本研究基于第一性原理计算方法,探索了本征单层WS₂及不同浓度W原子替位钇(Y)掺杂WS₂的电子结构和光学特性。结果表明本征单层WS₂为带隙1.814 eV的直接带隙半导体。进行4%浓度(原子数分数)的Y原子掺杂后,带隙减小为1.508 eV,依旧保持着直接带隙的特性,随着Y掺杂浓度的不断增大,掺杂WS₂带隙进一步减小,当浓度达到25%时,能带结构转变为0.658 eV的间接带隙,WS₂表现出磁性。适量浓度的掺杂可以提高材料的导电性能,且掺杂浓度增大时,体系依旧保持着透明性并且在红外光和可见光区对光子的吸收能力、材料的介电性能都有着显著提高。本文为WS₂二维材料相关光电器件的研究提供了理论依据。     

不同合成方法对LiMgPO4∶Dy发光性能的影响

分别采用高温固相法和溶胶凝胶法合成了LiMgPO₄和LiMgPO₄∶Dy,通过热重-差热热分析仪、X射线衍射仪、傅里叶红外光谱仪、场发射高倍扫描电镜、紫外可见分光光度计和荧光分光光度计研究了不同合成方法对LiMgPO₄∶Dy晶体结构、形貌和发光性能的影响。结果表明，溶胶凝胶法的最低合成温度为750℃且晶体中几乎不存在其他晶相，而高温固相法在950℃合成的晶体中仍然存在少量Mg₃(PO₄)₂晶相；相比于高温固相法，溶胶凝胶法合成的样品形貌比较规则；两种方法合成的样品在可见光区域光吸收能力差，而在紫外区域高温固相法合成的样品光吸收能力明显较高；高温固相法合成的LiMgPO₄∶Dy光学带隙范围为3.76～3.93 eV,溶胶凝胶法合成的LiMgPO₄∶Dy光学带隙范围为3.85～3.94 eV,合成方法对样品的光学带隙影响较小。LiMgPO₄∶Dy的最佳激发波长为350 nm,最强发射峰位于579...     

AgAlSe2晶体高压相变的第一性原理研究

基于密度泛函理论,采用广义梯度近似法,研究了黄铜矿结构AgAlSe₂在高压下的晶体结构、晶格动力学稳定性与电子结构.结果显示:在0 GPa时AgAlSe₂的晶格参数与实验值吻合,在13.9 GPa附近,质量密度、Se-Ag键长、Se-Al键长、晶格常数a突然增大,相对晶胞体积V/V₀、晶格常数c突然减小,声子谱出现虚频,结构变得不稳定,带隙发生突变,数值呈减小趋势.表明AgAlSe₂晶体在13.9 GPa附近发生结构相变.该研究为AgAlSe₂晶体在理论上所能承受的高压提供信息支撑.     

(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...     

Sc、Ce掺杂CrSi2的电子结构与光学性质的第一性原理

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法对Sc、Ce单掺和共掺后CrSi₂的几何结构、电子结构、复介电函数、吸收系数和光电导率进行了计算。结果表明:Sc、Ce掺杂CrSi₂的晶格常数增大,带隙变小。本征CrSi₂的带隙为0.386 eV,Sc、Ce单掺及共掺CrSi₂的禁带宽度分别减小至0.245 eV、0.232 eV、0.198 eV,费米能级均向低能区移动进入价带。由于Sc的3d态电子和Ce的4f态电子的影响,Sc、Ce掺杂的CrSi₂在导带下方出现了杂质能级。掺杂后的CrSi₂介电函数虚部第一介电峰峰值增加且向低能方向移动,说明Sc、Ce掺杂使得CrSi₂在低能区的光跃迁强度增强,Sc-Ce共掺时更明显。Sc、Ce掺杂的CrSi₂吸收边在低能方向发生红移,在能量大于21.6 eV特别是在位于31.3 eV的较高能量附近,本征CrSi₂几乎不吸收光子,Sc单掺和Sc-Ce共掺CrSi₂吸收光子的能力有所增强,并在E=31.3 eV附近形成了第二吸收峰。说明掺杂Sc、Ce改善了CrSi₂对红外和较高能区光子的吸收。在小于3.91 eV的低能区掺杂后的CrSi₂光电导率增加。在20.01 eV<E<34.21 eV时,本征CrSi₂光电导率为零,但Sc、Ce掺杂后的体系不为零,掺杂拓宽了CrSi₂的光响应范围。研究结果为CrSi₂基光电器件的应用与设计提供了理论依据。     

α相和β相BiNbO4∶Eu3+的荧光性能

采用高温固相法合成出正交相和三斜相结构的BiNbO₄∶Eu³⁺样品,利用X 射线衍射(XRD)、拉曼光谱、吸收光谱和荧光光谱对样品的结构和光学性能进行了研究。结果表明:900 ℃合成样品为正交相结构α-BiNbO₄,而1 200 ℃得到三斜相结构β-BiNbO₄。吸收光谱得到α相和β相BiNbO₄的光学带隙分别为2.69 eV和2.96 eV,与第一性原理的理论结果2.640 eV和3.032 eV相吻合。Eu³⁺掺杂诱导二者的光学带隙蓝移至2.89 eV和3.05 eV,有效改变了其光响应范围。荧光光谱表明:Eu³⁺在两种结构的最强荧光峰均来自⁵D₀→⁷F₂电偶极跃迁,最强荧光峰分别位于615 nm和611 nm。Eu³⁺在β-BiNbO₄中的荧光强度更高,而且其⁵D₀→⁷F₂和⁵D₀→⁷F₁的荧光强度比值更大。与Eu³⁺相似,Er³⁺在β-BiNbO₄中具有更高的上转换荧光强度,其强度约是在α-BiNbO₄中荧光的近40倍,说明三斜结构BiNbO₄更适合做稀土离子的基质材料。     

理论设计ZnTiS3化合物光电性能的第一性原理计算

根据实验上合成LiNbO₃(LN)构型的ZnTiO₃铁电化合物,基于第一性原理的方法设计研究了化合物LN-ZnTiS₃(LN构型)的特性。计算结果表明LN-ZnTiS₃化合物满足力学稳定条件。根据化学势平衡相图分析,LN-ZnTiS₃在常压下不会形成稳定结构,但施加外部压力可以形成稳定结构。电子态密度和带隙的计算结果表明,LN-ZnTiS₃的价带顶(VBM)主要由S-p轨道组成,导带底(CBM)则由Ti-d轨道组成,硫原子的替代可以促进体系费米能级以上的电子状态大幅度下降到较低的能级,从而减小LN-ZnTiS₃的带隙。LN-ZnTiS₃的带隙计算值为1.04 eV,可以促进可见光的吸收,可以看出LN-ZnTiS₃是一种潜在的高效率光伏材料。     

Sr2MoBO6(B=Os、Re、W)的电子结构与光学性质的第一性原理

双钙钛矿氧化物Sr₂MoBO₆(B=Os、Re、W)已被预测为具有高磁转变温度的半金属材料。本论文对Sr₂MoBO₆的电子结构和光学性质进行了第一性原理计算,并分析了二者之间的内在关系。从能带结构来看, Sr₂MoOsO₆和Sr₂MoWO₆为半金属,Sr₂MoReO₆为普通金属。B 5d与Mo 4d之间的跃迁过程使三种材料复介电函数的虚部ε₂(ω)在可见光区域均有明显的介电峰,进一步使它们都具有很宽的吸收光谱和很高的吸收系数。其中,Sr₂MoReO₆和Sr₂MoWO₆的吸收光谱横跨整个可见光区并延伸至红外波段。Sr₂MoReO₆在可见光波段的最高吸收系数为41.86×10⁴ cm^-1,其中一个吸收峰位于886 nm处;Sr₂MoWO₆的吸收峰位于780 nm处,峰值吸收系数高达41.62×10⁴ cm^-1。另外,Sr₂MoBO₆在整个可见光范围内都具有很高的反射率,Sr₂MoWO₆的反射率峰值可达到0.55。Sr₂MoBO₆对可见光的响应特性预示着其在光电子器件领域广泛的应用前景。     

双轴应变对g-ZnO/WS2异质结电子结构及光学性质影响的第一性原理计算

单层g-ZnO由于吸收光谱宽而受到研究者关注,但载流子复合是单层g-ZnO作为光催化剂无法避免的问题,如何降低电子空穴对复合率,提高单层g-ZnO对可见光利用率成为值得研究的问题,搭建异质结并对其进行双轴应变是一种可行的办法。本文采用第一性原理方法,研究双轴应变对g-ZnO/WS₂异质结电子结构及光学性质的调控规律。结果表明:g-ZnO/WS₂异质结禁带宽度为1.646 eV,由于异质结体系内部产生内置电场,降低了其光生载流子的复合率,同时异质结光吸收带边拓展至可见光区域。对异质结实施应变后,除压缩应变(-2.5%)体系外,其余应变体系吸收带边均出现红移现象,并且红移程度和对电荷的束缚能力均随着应变的增加而增强。相比于未实施应变的体系,应变体系对光生电子载流子的阻碍作用更强,其光催化能力得到更大提高。以上结果说明搭建g-ZnO/WS₂异质结并对其进行双轴应变对异质结的电子结构及光学性质具有显著的调控作用,使其在窄禁带及红外、可见光半导体器件和光催化材料等领域具有应用价值。     

Annealing-induced relief of compressive misfit strain in liquid phase epitaxial yttrium iron garnet films

Films of yttrium iron garnet were grown on (111) gadolinium gallium garnet by liquid phase epitaxy from a PbO-B₂O₃ flux. Incorporation of Pb as a substitutional impurity produced an increase in film lattice parameter which resulted in initial compressive misfit strains in the films. The initial strains were relieved by annealing in O₂. The relief process was studied by X-ray double-crystal diffractometry and topography supplemented by optical and scanning electron microscopy. Strain relief was found to be associated with the occurrence of defects which were imaged in both film and substrate topographs. When the initial compressive misfit was sufficiently large, annealing eventually resulted in a tensile strain and the development of cracks which propagated through the films and into the substrates.     

基于碳化硅衬底的宽禁带半导体外延

宽禁带半导体具备禁带宽度大、电子饱和飘移速度高、击穿场强大等优势,是制备高功率密度、高频率、低损耗电子器件的理想材料。碳化硅(SiC)材料具有热导率高、化学稳定性好、耐高温等优点,在SiC衬底上外延宽禁带半导体材料,对充分发挥宽禁带半导体材料的优势,并提升宽禁带半导体电子器件的性能具有重要意义。得益于SiC衬底质量持续提升及成本不断降低,基于SiC衬底的宽禁带半导体电子市场占比呈现逐年增加的态势。在SiC衬底上外延生长高质量的宽禁带半导体材料是提高宽禁带半导体电子器件性能及可靠性的关键瓶颈。本文综述了近年来国内外研究者们在SiC衬底上外延SiC、氮化镓(GaN)、氧化镓(Ga₂O₃)所取得的研究进展,并展望了SiC衬底上宽禁带半导体外延的发展及应用前景。     

g-C3N4基异质结的光催化应用研究进展

半导体异质结光催化剂因其在太阳能利用和转化方面广阔的应用前景而备受关注。合理构建两种或两种以上半导体材料的异质结构,可以集成多种组分的优点,改善光生电荷分离,扩大对可见光的吸收范围,保持光催化剂的高氧化还原能力。近年来,由于g-C₃N₄具有合成简单、稳定性高、独特的光学和电学特性等诸多优点,g-C₃N₄基异质结构的构建成为研究热点。本文针对近年来g-C₃N₄基异质结改性的研究现状,依据g-C₃N₄与其他半导体电荷转移路径的不同综述了三种异质结结构(g-C₃N₄基Ⅱ型异质结、g-C₃N₄基Z型异质结和g-C₃N₄基S型异质结),以及其在环境修复和能源方面的应用。最后对g-C₃N₄基异质结光催化剂存在的问题进行总结和展望。