Ni 掺杂ZnO纳米线的电子结构与磁性

采用自旋极化密度泛函理论系统研究了Ni掺杂ZnO纳米线的电子结构、磁学和光学性质.磁学性质计算结果显示六种Ni掺杂ZnO纳米线的磁性耦合体系出现了铁磁(FM)、反铁磁(AFM)和顺磁(PM)二种不同的耦合状态.能量计算结果表明Ni原子在纳米线外表面沿[0001]方向替代Zn原子时能量最低,体系的AFM耦合相对稳定,AFM体系表现出金属性.态密度计算结果显示FM耦合在费米能级附近出现了明显的自旋极化现象,发生了强烈的Ni 3d和O 2p杂化效应,掺杂产生的磁矩主要来源于Ni 3d未成对轨道电子和部分O 2p轨道电子的贡献,FM耦合表现出半金属性.另外,光学性质计算结果显示Ni掺杂ZnO纳米线的远紫外吸收峰发生了红移现象,而380 nm附近的近紫外吸收峰发生了明显的蓝移现象,在整个紫外区都表现出了优异的发光性能.以上结果表明Ni掺杂ZnO纳米线是一种很有前途的磁光电子材料.     

过渡金属原子X (X=Mn、Fe、Co)掺杂单层Janus WSSe的第一性原理研究

二维Janus WSSe作为一种新兴的过渡金属硫族化合物(TMDs)材料,由于其打破了面外镜像对称性,且具有内在垂直压电和强Rashba自旋轨道耦合效应等丰富的物理特性,在自旋电子器件中具有巨大的应用潜力。本文基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法计算了过渡金属原子X(X=Mn、Fe、Co)掺杂单层Janus WSSe的电子结构、磁性和光学性质。结果表明：在Chalcogen-rich(硫族元素为多数元素)条件下的掺杂比在W-rich(钨元素为多数元素)条件下的掺杂展现出更高的稳定性,且掺杂后所有体系均表现出磁性。值得一提的是,对该体系进行Mn掺杂后,自旋向上通道出现杂质能级,WSSe由原来的非磁性半导体转变成磁矩为1.043μ_B的铁磁性半金属。而Fe、Co的掺杂使得自旋向上通道和自旋向下通道均出现杂质能级,呈现出磁矩分别为1.584μ_B、2.739μ_B的金属性。此外,掺杂体系的静态介电常数都显著增加,极化程度增强,且介电函数虚部和光吸收峰都发生了红移,说明掺杂有利于对可见光的吸收。     

γ-Zn3（PO4）2:Mn2+,Ga3+的发光性质及能量传递

采用高温固相法合成了Mn2+单掺杂及Mn2+,Ga3+共掺杂的γ-Zn3(PO4)2。γ-Zn3(PO4)2:Mn2+的发射峰位于620 nm,而γ-Zn3(PO4)2:Mn2+,Ga3+发射光谱有两个发射峰,其中一个发射峰位于507 nm,另一个发射峰位于620 nm。507 nm的发射峰来自于处于四面体晶体场中Mn2+(CN=4)的4T1g-6A1g能级跃迁,而620 nm的发射峰来自于处于八面体晶体场中Mn2+(CN=6)的激发态4T1g-6A1g的能级跃迁。在Mn2+,Ga3+共掺杂的样品中,八面体场中Mn2+的激发光谱与四面体场中Mn2+的发射光谱有显著的光谱重叠,满足共振能量传递条件,从而发生了Mn2+(CN=4)向Mn2+(CN=6)的能量传递,对此进行了证明及讨论。此外,Mn2+离子在四面体场及八面体场中的浓度分布随着Ga3+离子的掺入量而发生变化。Ga3+离子对Mn2+在四面体场与八面体场浓度比值起到调节作用。随着Mn2+离子和Ga3+离子浓度的增加,发射光谱中绿光强度与红光强度比值也逐渐增加。最终,发射光谱中绿光强度与红光强度的相对比值是由Mn2+离子浓度、Ga3+离子浓度及Mn2+(CN=4)向Mn2+(CN=6)的能量传递3个因素决定的。     

Ce,Mn∶YAG单晶的生长及光学性能

采用提拉法生长了白光发光二极管(LED)用Ce,Mn∶YAG单晶,通过X射线衍射(XRD)测试、X射线吸收精细结构(XAFS)测试、吸收光谱和激发发射光谱对其晶相结构、掺杂Mn的价态和光谱特性进行了表征,并研究了晶片厚度及驱动电流的变化对LED器件光电性能的影响.在460 nm蓝光的激发下,Ce,Mn∶YAG单晶的发射光谱可由中心波长526和566 nm的宽带发射峰复合而成.XAFS测试结果表明,所得单晶中掺杂Mn的价态以正二价为主.由于Ce3+和Mn2+在YAG单晶中存在能量传递,荧光光谱中566 nm处的橙色发射峰对应于Mn2+离子4T1→6A1能级的辐射跃迁.     

硼、铝和镓掺杂对硅纳米管电子结构和光电性质的影响

基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了本征硅纳米管（SiNTs）的几何结构,以及Ⅲ族元素B、Al、Ga掺杂对单壁锯齿型（14,0）SiNTs稳定性、电子结构和光学性质的影响。结果表明,褶皱型SiNTs为SiNTs稳定存在的结构,B、Al、Ga掺杂能够提高SiNTs的稳定性。本征（14,0）SiNTs属于窄带隙金属材料,通过B、Al、Ga的分别掺杂,SiNTs的带隙变宽,实现了SiNTs从金属性向半导体性质的转变。随着Ⅲ族元素原子序数的增大,其掺杂体系的稳定性不断降低,相应的带隙也不断减少。B、Al、Ga掺杂的单壁锯齿型（14,0）SiNTs具有近乎一致的光学性质,对于紫外光有着很强的吸收特性,并且对于红外和可见光吸收也有着不错的提升。     

基于第一性原理的Mn-AlN和Cr-AlN的半金属性质

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,在广义梯度近似(GGA)下研究了纤锌矿Mn-AlN和Cr-AlN的能带结构、态密度与磁学等性质.结果表明,Mn-AlN和Cr-AlN的半金属能隙都随着杂质浓度的增大而减小.原因可能是随着Mn/Cr掺杂浓度的增大,杂质原子间相互作用增强,Mn/Cr 3d与N 2p杂化减弱,使得自旋交换劈裂变小,从而半金属能隙变窄.在同等掺杂浓度下,Mn-AlN比Cr-AlN的半金属能隙大.这是因为Mn 3d态能级比Cr 3d态能级低,Mn 3d与N 2p杂化更强,导致自旋交换劈裂更大,自旋向下子带的导带底相对远离费米能级,因此Mn-AlN的半金属能隙较大.     

Mn4+、Zr4+掺杂ScTaO4深红色荧光粉的制备及发光性质的研究

采用高温固相法制备了Mn4+单掺及Mn4+ - Zr4+共掺杂ScTaO4发光材料。利用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、电子顺磁共振（EPR）以及光致发光光谱(PL)等手段研究了样品的结构、形貌、锰离子价态以及光致发光性质等。详细研究了掺杂Mn离子的价态、Mn离子发光的浓度猝灭和温度猝灭机理。研究发现Mn掺杂的ScTaO4荧光粉在655 nm处有较强的深红色发光,该发射来自Mn4+的2Eg → 4A2g跃迁。当Sc1-xTaO4: xMn4+中Mn4+离子掺杂浓度x为0.005,此时发光强度最大。Mn4+、Zr4+共掺不仅能有效提高Mn4+的发光强度而且可以减小其温度猝灭效应。Zr4+共掺杂造成的发光特性改变,为新型Mn4+掺杂荧光粉的设计和发光性能的调节提供了有价值的参考。     

锂离子电池镍掺杂尖晶石LiMn2O4正极材料的电子结构

采用密度泛甬平面波赝势方法对LiMn2O4和LiNi0.5Mn1.5O4的几何结构进行了优化,并计算了相应的电子结构.计算的结果表明:在Li 脱嵌前后,LiMn2O4和LiNi0.5Mn1.5O4均为导体,且锂元素主要以离子形式存在于两种材料中,O2p轨道与Mn(Ni)的3d轨道形成了较强的共价键.Li 嵌入导致Mn(Ni)3d轨道的态密度峰发生移动.Ni的掺杂导致Mn(Ni)和O2p轨道的成键作用得以加强,电子在Mn(Ni)3d轨道的填充发生变化,从而提高了电池的充放电电压.     

Cr、Sn、Co掺杂对层状二维材料MoSi2N4的电子和光学性能的影响

基于新合成的二维材料MoSi₂N₄（MSN）,我们建立了一系列MSN的掺杂模型进行了第一原理计算。首先,我们计算了本征MSN的电子特性,包括其能带结构和态密度。然后我们研究了Cr、Sn和Co掺杂对MSN的电子和光学性质的影响。结果表明,在3种掺杂体系中,Co掺杂体系表现出最低的形成能,这表明Co掺杂体系是最稳定的。通过带隙计算表明,尽管3种掺杂模型都降低了MSN的固有带隙,但却表现出3种不同的电子特性。态密度图也显示,Cr和Co掺杂体系都在导带底（CBM）和价带顶（VBM）附近产生局部尖峰。此外,光学性质的计算中表明,掺杂后体系的光学性质也得到了改善。     

N/F掺杂和N-F双掺杂锐钛矿相TiO2(101)表面电子结构的第一性原理计算

采用密度泛函理论(DFT)平面波赝势方法计算了N/F掺杂和N-F双掺杂锐钛矿相TiO2(101)表面的电子结构. 由于DFT方法存在对过渡金属氧化物带隙能的计算结果总是与实际值严重偏离的缺陷, 本文也采用DFT+U(Hubbard 系数)方法对模型的电子结构进行了计算. DFT的计算结果表明N掺杂后, N 2p轨道与O 2p和Ti 3d价带轨道的混合会导致TiO2带隙能的降低, 而F掺杂以及氧空位的引入对材料的电子结构没有明显的影响. DFT+U的计算却给出截然不同的结果, N掺杂并没有导致带隙能的降低, 而只是在带隙中引入一个孤立的杂质能级, 反而F掺杂以及氧空位的引入带来明显的带隙能降低. DFT+U的计算结果与一些实验测量结果能够较好地符合.