基于第一性原理对硅取代、掺杂锯齿形石墨烯纳米带的电子结构及输运性质的研究

本文基于第一性原理对硅取代、掺杂石墨烯纳米带不同位置的电子能带结构、态密度及电子器件的电子输运性质进行了分析与研究.结果表明,锯齿形石墨烯纳米带(ZGNRs)在硅原子取代及掺杂后由原来的半导体态转变为金属态.在各种模型中,对于体系态密度有贡献的一般为原子指数为1、在p轨道的硅原子(Si1p);原子指数为2、在p轨道的硅原子(Si2p)和碳原子(C2p);少量的原子指数为1、在s轨道的氢原子(H1s)和碳原子(C1s).经分析,在各取代位置中两端硅原子取代的锯齿形石墨烯纳米带的体系能量最小,表明其为最有可能发生的取代位置.在掺杂位置中,体系能量计算结果显示填隙硅原子的能量更低,最有可能发生此种掺杂.电子输运性质的研究中,在所有的取代位置中单边硅原子取代组成的电子器件电子输运性质最好.在所有电子器件模型中电子输运性质最好的是填隙硅原子掺杂模型.     

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.     

碳掺杂(9,0)型闭口硼氮纳米管场发射第一性原理研究

本文运用第一性原理研究了(9,0)型闭口硼氮纳米管及其两种C掺杂体系的场发射性能.对三种纳米管体系的态密度、局域态密度、赝能隙、最高占据分子轨道/最低未占据分子轨道能隙和Mulliken电荷的分析结果表明,C替代顶层六元环中硼与氮原子的场发射性能分别最优和最差.由此可见,C掺杂改善硼氮纳米管场发射性能的关键在于被置换原子的种类.     

量子点激光器和量子点能态的计算

本文首先从态密度的角度,分析了半导体激光器从三维到零维发展的内因;介绍了实现量子点的工艺和量子点激光器的研究进程;评述了影响量子点激光器发展的"瓶颈"问题.在文章的后半部分,介绍了量子点电子态的计算,其中着重介绍了k·p微扰法.     

Cu替位与空位及Cu、S共掺SnO2的光磁性质研究

运用第一性原理,基于密度泛函理论,计算了Cu分别以替位和空位两种方式掺杂SnO2的电子结构和光电特性,并对两种掺杂方式做了一定的比较研究;磁性方面,主要研究了Cu、S共掺SnO2后的磁学性能.计算表明,两种方式掺杂,都使SnO2具有半金属特性,Cu原子将与周围的O原子发生强烈的交换作用,Cu原子对态密度的贡献主要在费米能级附近.相比之下,空位掺杂后的晶胞体积略大于替位掺杂后的SnO2,对光的能量损耗也比替位掺杂的低.对于Cu、S共掺的体系,计算表明:每个Cu原子的掺入将产生0.46μB的磁矩,而一个S原子将引入0.36μB的磁矩,Cu原子周围的O原子也对磁矩有一定的贡献.经过分析,发现体系的磁性来源主要是Cu-3d和S-3p,以及Cu-3 d与O-2 p间的强烈耦合作用.     

Cu/Ag单掺及Cu-Ag共掺对ZnO光催化性能影响的第一性原理研究

运用第一性原理方法研究了Cu/Ag单掺及Cu-Ag共掺对ZnO稳定性、电子结构和光学性质的影响.CuZn2和CuZn1-CuZn3的形成能接近0.0 eV,CuZn1-CuZn2的形成能为负值,表明Cu较易掺杂且掺杂时有聚集的趋势.AgZn2的形成能为2.5 eV,AgZn1-AgZn2和AgZn1-AgZn3的形成能高于4.5 eV,说明高浓度的Ag掺杂在实际合成中不易出现.CuZn1-AgZn2和CuZn1-AgZn3的形成能与AgZn2的相近.CuZn2、CuZn1-CuZn2和CuZn1-CuZn3模型的Cu3d与O2p轨道有较大程度的杂化,价带顶端主要由Cu3d轨道占据.AgZn2、AgZn1-AgZn2和AgZn1-AgZn3模型的Ag4d与O2p轨道杂化较弱,价带顶端主要由O2p轨道占据.CuZn1-AgZn2和CuZn1-AgZn3模型的Cu3d与O2p轨道虽有杂化,但价带顶端主要由O2p轨道占据.Cu或Ag原子掺杂使Zn4s轨道在导带区显著向下移动,降低了模型的带隙宽度,它们对ZnO电子结构的影响主要集中在带隙附近.Cu-Ag共掺修饰ZnO电子结构的能力介于Cu和Ag单掺之间.上述掺杂模型吸收边都发生了红移,实现了ZnO对可见光的吸收,同时对3.10～3.90 eV范围内紫外光的吸收均高于纯ZnO,有效提高了ZnO的光催化效率.结合形成能分析可知,在不同类型掺杂下最有利的光催化模型分别为CuZn1-CuZn2、AgZn2和CuZn1-AgZn2.     

Cu掺杂ZnO铁磁性的研究

采用基于密度泛函理论(DFT)和局域密度近似(LDA)的第一性原理分析了Cu掺杂ZnO的磁性质.计算了6个不同几何结构的铁磁(FM)和反铁磁(AFM)耦合自由能,结果表明FM耦合更稳定.FM性质主要来源于Cu 3d与O2p原子之间的杂化.O空位和N杂质对Cu掺杂ZnO铁磁性的研究表明,O空位和N杂质不利于稳定其铁磁性质.通过研究Cu3d能级之间的耦合,阐述了Cu掺杂ZnO铁磁性产生的原因.另外,也分析了晶格轴应变和剪切应变对Cu掺杂ZnOFM耦合影响.     

N与过渡金属共掺杂TiO2理论模型的设计

利用CASTEP软件包,采用密度泛函方法计算设计了N与过渡金属共掺杂TiO2的模型并进行了结构优化,通过对共掺杂结构进行能带结构、态密度、能量分析和模拟紫外-可见吸收光谱分析,可知N/V共掺杂体系有效地减小了TiO2禁带宽度,降低了光子跃迁所需要的能量,使吸收光谱红移,能够很好的提高光利用率和光生载流子的利用率。另外,间隙位N掺杂和替代位N掺杂共同存在时,由于互补效应,共掺杂体系能够很好地吸收紫外-可见光。     

Cu、Zn掺杂对AlSb电子结构和光学性质的影响

运用密度泛函平面波赝势方法和广义梯度近似,对替代式掺杂Cu和Zn的闪锌矿AlSb的超晶胞晶体结构、电子结构和光学性质进行了计算.分析了其电子态分布和结构的关系,给出了掺杂前后AlSb体系的复介电常数和复折射函数.结果表明,掺有Cu和Zn的AlSb晶体空穴密度增大,会明显提高材料的电导率;两种掺杂体系光学带隙均变窄;通过分析掺杂前后AlSb晶体的复介电常数和复折射函数,解释了体系的发光机制.     

B掺杂BaTiO3的电子结构和磁性的第一性原理研究

利用基于第一性原理的自旋极化密度泛函理论计算了B掺杂BaTiO3的稳定性、电子结构和磁学性质.结果表明B掺杂BaTiO3体系稳定,并表现为铁磁性.B替位掺杂BaTiO3体系的磁性机制可归结为部分B2p电子的自旋极化和B2p/O2p与Ti3d电子的p-d耦合作用,B间隙掺杂BaTiO3体系中磁性源于未配对Ti3d电子的自旋极化.