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<...     

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。     

Co元素掺杂CrSi2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Co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,掺杂后的CrSi₂晶格常数无明显变化,禁带宽度增大.由于Co元素3d电子的影响,在费米能级附近出现了杂质能级.掺杂后的CrSi₂复介电函数虚部在低能方向发生红移,在小于1.20 eV,大于2.41 eV的能量范围内光跃迁强度增强.吸收系数的主峰向高能方向移动,峰值增大,在小于1.38 eV,大于3.30 eV的能量范围改善了CrSi₂对红外光子的吸收.光电导率的主峰向高能方向移动,在小于1.16 eV,大于2.36 eV的能量范围内光电导率增强,说明掺杂Co元素后改善了CrSi₂特别是红外光区的光电性质,计算结果为CrSi₂光电器件的研究制造提供了理论依据.     

铁离子掺杂对铜铬黑颜料呈色性能的影响

为改善CuCr₂O₄黑色颜料呈色性能,将Fe³⁺掺杂进入CuCr₂O₄晶体中,采用共沉淀法制备CuCr_2-xFe_xO₄(x=0,0.04,0.05,0.06,0.07),并对所制备样品进行TG-DTA、XRD、SEM、Raman、XPS、UV-Vis吸收光谱和色度值的测试与表征。结果表明,Fe以三价态固溶进入Cr³⁺位置,未出现杂质相,得到的CuCr_2-xFe_xO₄晶粒细小、分散均匀。Fe³⁺掺杂可减小CuCr₂O₄的禁带宽度,从1.25 eV减小到1.08 eV,禁带宽度的减小是由于2p(O^2-)→3d(Fe³⁺)和Fe³⁺的d-d(⁶A_1g→⁴T_1g和 ⁶A_1g→⁴T_2g)电荷跃迁引起的。禁带宽度的减小使得黑色颜料对可见光(380~780 nm)的吸收率提高,L^*值减小,呈现出良好的黑度。得到的最佳黑色颜料为CuCr_1.95Fe_0.05O₄,L^*=17.63,a^*=-0.77,b^*=-1.61。     

(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...     

基于磁光应用的TbO1.81和Tb2O3超细粉末的合成

以碳酸氢铵(AHC)为沉淀剂,采用液相沉淀法结合高温热分解获得了TbO_1.81和Tb₂O₃超细粉体。研究表明,沉淀前驱体呈现出一维纳米线形貌特征,纳米线的平均宽度随碳酸氢铵含量的增加而增长。前驱体在空气中直接加热煅烧经过脱水、脱碳和颗粒生长等过程得到了平均粒径约为140 nm的类球状TbO_1.81纳米粉体;而前驱体在流动氢气气氛下加热则获得了颗粒尺寸更小的Tb₂O₃粉体(平均粒度约为85 nm)。碳酸氢铵与Tb³⁺的摩尔比对氧化物粉体的分散有显著影响,最佳摩尔比为1∶1。TbO_1.81和Tb₂O₃的禁带宽度分别约为1.67 eV和5.20 eV。     

Ni掺杂β-Ga2O3单晶的光、电特性研究

本文使用导模(EFG)法生长了Ni掺杂β-Ga₂O₃单晶，并通过粉末X射线衍射(PXRD)和劳厄衍射(Laue diffraction)分别验证了其晶体结构和晶体质量。进一步通过紫外-可见-近红外透过光谱及红外透过光谱研究了Ni²⁺掺杂对β-Ga₂O₃光学特性的影响，发现其(100)面的紫外截止边为252.9 nm,对应的光学带隙为4.74 eV。此外，阴极荧光(CL)光谱测试结果显示，Ni²⁺掺杂β-Ga₂O₃单晶在600～800 nm具有宽带近红外发光特性，有望拓宽β-Ga₂O₃单晶材料在宽带近红外方面的应用。     

高质量氧化镓单晶及肖特基二极管的制备

本文采用导模法生长技术,成功制备了高质量掺Si氧化镓(β-Ga₂O₃)单晶,掺杂浓度为2×10¹⁸ cm^-3.晶体呈现淡蓝色,通过劳厄衍射、阴极荧光(CL)及拉曼测试对晶体的基本性质进行了表征,结果表明晶体质量良好.紫外透过光谱证明该晶体的禁带宽度约为4.71 eV.此外,在剥离衬底上,采用电子束蒸发、光刻和显影技术制备了垂直结构的肖特基二极管,平均击穿场强EAva为2.1 MV/cm,导通电阻3 mΩ·cm²,展示了优异性能.     

Nd掺杂Mg2Si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赝势平面波方法,探究了未掺杂Mg₂Si以及Nd掺杂Mg₂Si的能带结构、态密度和光学性质。计算结果表明: Nd掺杂Mg₂Si后,Mg₂Si禁带宽度从0.290 eV降低到0 eV,导电性能提升;未掺杂的Mg₂Si,当光子能量大于0.9 eV时,才开始慢慢具备吸收能力,掺杂Nd之后的Mg₂Si对能量为0.2 eV的光子就开始吸收,大大改善了Mg₂Si对红外光电子的吸收。掺杂后的光吸收系数和反射率都变小,表明掺杂后的Mg₂Si对光的穿透率增大。计算结果为Mg₂Si材料在光电器件方面的应用提供了理论依据。     

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。     

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。     

射频磁控溅射氧气流量对制备的Ga2O3∶Cr薄膜光致发光性能的影响

在不同氧气流量下,采用双靶射频磁控共溅射的方法在蓝宝石(α-Al₂O₃)基底上制备得到系列掺Cr的Ga₂O₃(Ga₂O₃∶Cr)薄膜,详细研究了薄膜在900 ℃退火前后的结构和光学性能。结果表明,未退火的Ga₂O₃∶Cr薄膜为非晶结构,其发光主要位于蓝绿波段。经900 ℃退火后,薄膜的结构由非晶变为多晶,且在近红外波段观测到了来源于Cr³⁺掺杂的发光。退火后的薄膜结晶质量和近红外发光均与氧气流量密切相关,而其光学带隙不受氧气流量的影响。在所研究的氧气流量范围,4 mL/min氧气流量下薄膜的近红外发光强度最强,这与此条件下薄膜结晶质量较好以及Cr³⁺替代Ga³⁺的数量较多有关。以上研究成果可为制备高质量Ga₂O₃∶Cr薄膜提供参考。     

ε-(AlxGa1-x)2O3/ε-Ga2O3异质结电子输运性质研究

Ga₂O₃是一种新兴的宽带隙半导体,在电力和射频电子系统中具有潜在的应用前景。前期研究以β-Ga₂O₃为主,并且已经对β-(Al_xGa_1-x)₂O₃/Ga₂O₃异质结构中的二维电子气(2DEG)进行了理论计算,本文主要研究ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃作为势垒层对ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃/ε-Ga₂O₃异质结电子输运性质的影响,首先介绍了ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃/ε-Ga₂O₃异质结的结构和性质,分析计算了由于ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃/ε-Ga₂O₃异质结的自发极化和压电极化所产生的极化面电荷密度,以及极化对2DEG浓度产生的影响,接着分析了在不同Al摩尔组分下,ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃势垒层厚度与合金无序散射、界面粗糙度散射和极性光学声子散射之间的关系。最后通过计算得出结论:界面粗糙度散射和极性光学声子散射对ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃/ε-Ga₂O₃异质结的电子输运性质有重要影响,合金无序散射对异质结的输运性质影响较小;2DEG浓度、合金无序散射、界面粗糙度散射和极性光学声子散射的电子迁移率强弱由ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃势垒层的厚度和Al摩尔组分共同决定。     

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。     

超硬B-C-N材料的电子结构、硬度和光学性质的第一性原理计算

本文基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法计算了z-BC₂N和z-B₂CN的4种晶体结构的电子结构、硬度和光学性质。结果表明，z-BC₂N(2)为直接带隙半导体，其禁带宽度2.449 eV,z-BC₂N(1)为间接宽带隙半导体，其禁带宽度为3.381 eV,而z-B₂CN(1)和z-B₂CN(2)为导体；硬度结果显示z-BC₂N(1)、z-BC₂N(2)和z-B₂CN(1)为超硬材料。最后通过计算z-BC₂N基本光学函数与光子能量的关系表征了其光学性质。分析结果表明，z-BC₂N结构可以用作良好的耐磨材料和窗口耐热材料。     

第一性原理研究Cd掺杂对ZnO电子结构与光学性质的影响

采用第一性原理平面波超软赝势方法超软赝势方法,研究了Cd掺杂前后ZnO的电子结构以及光学性质.计算结果发现:Cd的掺入使得ZnO的电子结构发生了改变,晶胞变大,禁带宽度变窄.Cd掺杂使ZnO的光学性质也发生了变化,4.3 eV处的介电峰增强并发生红移,12.9 eV处的介电峰减弱,对紫外光吸收作用增强.     

超宽禁带半导体氧化镓基X射线探测器的研究进展

X射线具有波长短、穿透能力强等优点,在医学成像、安全检查、科学研究、空间通信等领域具有重要作用。半导体X射线探测器可以将X射线转换为电流信号,具有易集成、空间分辨率高、能量分辨率高、响应速度快等优点。高性能的X射线探测器应具备暗电流低、灵敏度高、响应速度快、可长时间稳定工作等特点,因此制备X射线探测器的半导体材料应具有电阻率高、缺陷少、抗辐照能力强、禁带宽度宽等性质。氧化镓(Ga₂O₃)是一种新型宽禁带半导体材料,具有超宽禁带宽度、高击穿场强、高X射线吸收系数、耐高温、可采用熔体法生长大尺寸单晶等优点,是一种适合制备X射线探测器的新型材料,近年来基于Ga₂O₃的X射探测器成为辐射探测领域的研究热点之一。本文主要介绍了Ga₂O₃半导体的物理性质及其在X射线探测器方面的研究进展,分析了影响X射线探测器性能的物理机制,为提高Ga₂O₃基X射探测器的性能提供了思路。     

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.     

不同直径Cr:Al2O3圆柱晶体的制备及其光学性能研究

采用光学浮区法制备了不同Cr³⁺掺杂浓度的Cr∶Al₂O₃晶体，并根据需要制备了不同直径(2 mm至13 mm)的长度大于100 mm的圆柱状Cr∶Al₂O₃晶体。测量了在制备Cr∶Al₂O₃晶体不同阶段所获得的粉末料棒、陶瓷料棒和晶体的密度，分别为0.928、2.230和4.051 g/cm³。XRD图谱显示，Cr∶Al₂O₃晶体为α-Al₂O₃相。透射光谱表明，Cr∶Al₂O₃晶体可见光非特征吸收波段透过率大于80%。吸收光谱和光致激发光谱(监测669 nm光)均显示，Cr∶Al₂O₃晶体在418及559 nm处有较强吸收带，分别对应Cr³⁺从⁴A₂至⁴