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.     

Li掺杂ZnO的电子结构与电性能的研究

采用密度泛函理论平面波超软赝势方法研究了p型Li掺杂的纤锌矿结构ZnO的能带结构、态密度和电荷分布,并分析了Li掺杂ZnO的电输运性能.结果表明,Li掺杂ZnO具有1.6eV的直接带隙,且为p型半导体,体系费米能级附近的态密度大大提高,在导带和价带中都出现了由Li电子能级形成的能带,其费米能级附近的能带主要由Li的s态、Zn的p态、Zn的d态和O的p态电子构成,且他们之间存在着强相互作用.电输运参数和电输运性能分析结果表明,Li掺杂的ZnO氧化物价带和导带中的载流子有效质量均较大;其载流子输运主要由Li的s态、Zn的p态和O的p态电子完成;Li掺杂有望改善ZnO的电输运性能.     

LSDA+U方法研究Ni掺杂CuO和Cu掺杂NiO的电子结构和反铁磁学性质

光催化分解水制H2和光催化还原CO2是解决能源危机和全球变暖的有效途径.但是,由于粉末光催化剂存在回收效率低的问题,因而光催化成本很高.而磁性光催化剂便于回收和重复利用,因此人们把目光转向具有磁性的非光催化剂材料,试图通过改性使得磁性材料具有合适的水分解或者还原CO2的氧化还原电位.同时,对具有光催化活性但是没有磁性的材料进行磁化改性可以得到新型的磁性光催化剂.本文通过对本身具有磁性的NiO材料进行Cu掺杂能带调整,使调整后的NiO具有合适的氧化还原电位;对本身具有良好光催化氧化还原电位的CuO材料进行Ni掺杂磁化调整,使磁化后的CuO既有良好的氧化还原电位又有磁性.最终两种材料经过掺杂变成磁性光催化材料,既有较好的光催化性能,又可高效回收,因此有望在光催化领域具有潜在的应用前景.LSDA(局域自旋密度近似)+U(有效库仑相关能)计算方法能够很好地给出磁矩和禁带宽度等电子结构性质.本文通过LSDA+U计算方法对具有磁性的宽禁带半导体材料NiO进行电子结构改性研究,希望通过降低其禁带宽度、调整其氧化还原电位使之对太阳光有响应.因其同时具有磁性便于回收,使得光催化分解水制H2和光催化还原CO2成本高的问题得到解决.对NiO的磁胞进行了Cu掺杂计算,结果发现Cu的掺杂几乎没有引起NiO空间结构的变化,这是因为Cu和Ni的离子半径相近.通过对电子结构的计算发现掺杂体系的禁带变窄,并且在禁带中间出现了两条杂质能级,该杂质能级是由掺杂原子Cu 3d态组成.杂质能级的出现能够降低光生载流子在带隙中的复合,从而提高光催化效率.计算结果同时表明,Cu掺杂的NiO系统具有一个1μB的净磁矩,即Cu的掺杂使得NiO显示出磁性,而Ni的磁矩在掺杂前后几乎保持不变,由纯相的1.67μB增加到掺杂体系中的1.70μB.由于CuO本身低指数(111)面和(011)面具有合适的分解水制H2和还原CO2的氧化还原电位,如果对CuO进行磁化改性,可以使光催化剂CuO同时带有磁性,便于回收再利用.本文对CuO磁胞进行了Ni的掺杂计算.结果表明,由于离子半径相近,Ni掺杂几乎没有引起CuO空间结构的变化.掺杂后的体系具有一个1.66μB的净磁矩,同时Ni的掺杂引起多个杂质能级出现,靠近价带的杂质能级由Cu 3d态组成,而在导带底位置出现的杂质能级主要由Ni 3d态组成.整个能带向高能级方向平移.     

LSDA+U方法研究Ni掺杂CuO和Cu掺杂NiO的电子结构和反铁磁学性质（英文）

光催化分解水制H_2和光催化还原CO_2是解决能源危机和全球变暖的有效途径.但是,由于粉末光催化剂存在回收效率低的问题,因而光催化成本很高.而磁性光催化剂便于回收和重复利用,因此人们把目光转向具有磁性的非光催化剂材料,试图通过改性使得磁性材料具有合适的水分解或者还原CO_2的氧化还原电位.同时,对具有光催化活性但是没有磁性的材料进行磁化改性可以得到新型的磁性光催化剂.本文通过对本身具有磁性的NiO材料进行Cu掺杂能带调整,使调整后的NiO具有合适的氧化还原电位;对本身具有良好光催化氧化还原电位的CuO材料进行Ni掺杂磁化调整,使磁化后的CuO既有良好的氧化还原电位又有磁性.最终两种材料经过掺杂变成磁性光催化材料,既有较好的光催化性能,又可高效回收,因此有望在光催化领域具有潜在的应用前景.LSDA(局域自旋密度近似)+U(有效库仑相关能)计算方法能够很好地给出磁矩和禁带宽度等电子结构性质.本文通过LSDA+U计算方法对具有磁性的宽禁带半导体材料NiO进行电子结构改性研究,希望通过降低其禁带宽度、调整其氧化还原电位使之对太阳光有响应.因其同时具有磁性便于回收,使得光催化分解水制H_2和光催化还原CO_2成本高的问题得到解决.对NiO的磁胞进行了Cu掺杂计算,结果发现Cu的掺杂几乎没有引起NiO空间结构的变化,这是因为Cu和Ni的离子半径相近.通过对电子结构的计算发现掺杂体系的禁带变窄,并且在禁带中间出现了两条杂质能级,该杂质能级是由掺杂原子Cu 3d态组成.杂质能级的出现能够降低光生载流子在带隙中的复合,从而提高光催化效率.计算结果同时表明,Cu掺杂的NiO系统具有一个1μB的净磁矩,即Cu的掺杂使得NiO显示出磁性,而Ni的磁矩在掺杂前后几乎保持不变,由纯相的1.67μB增加到掺杂体系中的1.70μB.由于CuO本身低指数(111)面和(011)面具有合适的分解水制H_2和还原CO_2的氧化还原电位,如果对CuO进行磁化改性,可以使光催化剂CuO同时带有磁性,便于回收再利用.本文对CuO磁胞进行了Ni的掺杂计算.结果表明,由于离子半径相近,Ni掺杂几乎没有引起CuO空间结构的变化.掺杂后的体系具有一个1.66μB的净磁矩,同时Ni的掺杂引起多个杂质能级出现,靠近价带的杂质能级由Cu 3d态组成,而在导带底位置出现的杂质能级主要由Ni 3d态组成.整个能带向高能级方向平移.     

采用第一性原理研究非金属掺杂BiOCl的电子结构和光吸收性质

基于密度泛函理论的第一性原理分别研究了不同浓度Br和I掺杂BiOCl体系的能带结构、态密度、形成能和光学性质.研究结果表明,由于Br的4p和I的5p轨道作用,Br和I掺杂可在一定程度上降低BiOCl的禁带宽度,拓宽BiOCl的光吸收范围.Br和I掺杂BiOCl的形成能计算结果表明,Br掺杂BiOCl的稳定性高于I掺杂体系.对于B,C,N,Si,P和S掺杂BiOCl体系,掺杂能级的形成主要由掺杂元素的np轨道贡献,使BiOCl吸收带边红移至可见光区.而S掺杂则位于价带顶位置,有效地降低了BiOCl禁带宽度,使BiOCl响应波长出现红移,且未形成中间能级,不易成为俘获陷阱,因此S掺杂将是一种提高BiOCl可见光光催化活性的改性方法.     

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.     

La或N掺杂SiC纳米线的制备、场发射性能及第一性原理计算

采用化学气相沉积法和气相掺杂法, 分别制备了La 或N掺杂的SiC 纳米线. 利用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、透射电子显微镜(TEM)、选区电子衍射(SAED)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、X射线能量色散谱(EDS)分析和X射线衍射(XRD)等测试手段对两种产物的微观形貌、元素组成和物相结构进行了系统表征. 以合成产物作为阴极, 对其场发射性能进行测试, 结果表明: SiC 纳米线的开启电场值和阈值电场值由未掺杂的2.3、6.6 V·μm^-1分别降低为1.2、5.2 V·μm^-1(La 掺杂)和0.9、0.4 V·μm^-1(N 掺杂). 采用Material Studio 软件中的Castep 模块建立(3×3×2)晶格结构模型, 对未掺杂、La 或N掺杂SiC 的能带结构和态密度进行计算, 结果显示: La或N掺杂后, 在费米能级附近产生了新的La 5d或N 2p掺杂能级, 导致禁带宽度(带隙)变窄, 使得价带电子更容易跨越禁带进入导带, 从而改善SiC纳米线的场发射性能.     

硅掺杂的氮化硼纳米管对氯化氰吸附性能的理论研究

为了探索氮化硼纳米管(BNNT)在化学传感器件领域的潜在应用,我们利用密度泛函理论研究了(8,0)单壁BNNT和硅掺杂的(8,0)BNNT对毒性气体氯化氰分子(ClCN)的吸附性能.结果表明,硼位或氮位硅掺杂的BNNT,均对ClCN分子存在较强的化学吸附,而纯氮化硼纳米管对ClCN仅有较弱的物理吸附.态密度的计算进一步表明硅掺杂使纳米管费米能级附近的电子结构发生显著变化,由于杂化态的引入,使带隙明显减小,增强了对毒性ClCN分子的吸附敏感性.硅掺杂的BNNT有望成为检测毒性ClCN分子的潜在资源.     

Mn掺杂TiO_2(101)提高锂空电池阴极催化活性的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论对TiO_2(101)和Mn_xTi_(1-x)O_2(101)作为锂空电池阴极催化材料进行了研究,发现其表面能够生成两种不同结构的Li_2O_2,进一步地研究了其中最稳定的生成结构并通过计算锂空电池首次充放电过程中的过电势来评价催化性能.结果表明,Mn掺杂进入Ti O_2(101)对充放电的过电势均有降低作用,深入分析发现掺杂Mn对TiO_2促进阴极催化反应的本质因素源于掺杂原子Mn的d态轨道的分布以及其平均能量.掺杂原子的d态轨道在费米能级处的峰态诱导了附近O的p态轨道,二者共同作用在Mn_xTi_(1-x)O_2(101)的总态密度的费米能级处形成多个新峰,改变了催化剂的导电方式.此外,由于掺杂原子Mn的d态轨道的平均能量高于Ti原子,使得O的p态轨道受到更多的激发,促使在Mn掺杂原子附近的氧空位形成能降低,为放电过程阴极催化反应的氧还原提供了更多的活性位点并且有利于氧气的吸附与还原.     

A density functional theory study of the noble metal adsorption on the CeO2(111) surface

利用密度泛函理论系统研究了贵金属原子(Au、Pd、Pt和Rh)在CeO2( 111)表面的吸附行为.结果表明,Au吸附在氧顶位最稳定,Pd、Pt倾向吸附于氧桥位,而Rh在洞位最稳定.当金属原子吸附在氧顶位时,吸附强度依次为Pt ＞Rh＞ Pd＞Au.Pd、Pt与Rh吸附后在Ce 4 f、O2p电子峰间出现掺杂峰;Au未出现掺杂电子峰,其d电子峰与表面O2p峰在-4 -1 eV重叠.态密度分析表明,Au吸附在氧顶位、Pd与Pt吸附在桥位、Rh吸附在洞位时,金属与CeO2(111)表面氧原子作用较强,这与Bader电荷分析结果相一致.     

多次透射反射红外光谱法灵敏和准确地测量单晶硅中间隙氧和代位碳的含量

建立了室温下使用多次透射反射红外光谱法(MTR-IR)测量单晶硅中间隙氧和代位碳含量的新红外光谱吸收方法,在理论和实验上证明了MTR-IR优于常规使用的单次垂直透射红外(IR)吸收测量方法。与IR法相比较,MTR-IR法的优点为:(1)间隙氧在1107 cm^-1处和代位碳在605 cm^-1处的吸收峰与MTR-IR法中红外光透过硅片的的次数N(6~12)成线性增加的正比例关系,因此单晶硅中间隙氧和代位碳含量的检测限至少比IR法低一个数量级;(2)MTR-IR法测量薄硅片如0.2 mm的厚度时产生的干涉条纹强度是单次垂直透射红外吸收法(IR)的1/23、是单次Brewster角透射红外吸收法的1/11;(3)单次垂直透射红外吸收法(IR)1次只测量样品上的1个点,MTR-IR法则在更长的样品上1次测量多个样品点,每次测量更具有代表性。理论计算和实验结果都证实了MTR-IR吸收法测量晶体硅中间隙氧和代位碳杂质含量的高灵敏度、可靠性和重复性。     

多次透射反射红外光谱法灵敏和准确地测量单晶硅中间隙氧和代位碳的含量

建立了室温下使用多次透射反射红外光谱法(MTR-IR)测量单晶硅中间隙氧和代位碳含量的新红外光谱吸收方法,在理论和实验上证明了MTR-IR优于常规使用的单次垂直透射红外(IR)吸收测量方法。与IR法相比较,MTR-IR法的优点为:(1)间隙氧在1 107 cm^-1处和代位碳在605 cm^-1处的吸收峰与MTR-IR法中红外光透过硅片的的次数N(6~12)成线性增加的正比例关系,因此单晶硅中间隙氧和代位碳含量的检测限至少比IR法低一个数量级;(2)MTR-IR法测量薄硅片如0.2 mm的厚度时产生的干涉条纹强度是单次垂直透射红外吸收法(IR)的1/23、是单次Brewster角透射红外吸收法的1/11;(3)单次垂直透射红外吸收法(IR)1次只测量样品上的1个点,MTR-IR法则在更长的样品上1次测量多个样品点,每次测量更具有代表性。理论计算和实验结果都证实了MTR-IR吸收法测量晶体硅中间隙氧和代位碳杂质含量的高灵敏度、可靠性和重复性。     

阴离子掺杂TiO2的芯位移和热力学性质的第一性原理研究

采用第一性原理计算考察了阴离子(硼、碳、氮、氟、磷、硫)掺杂的二氧化钛(包括锐钛矿相和金红石相)。芯位移计算结果表明,在氮掺杂的TiO2中,间隙掺杂类型的N的1s能级在XPS能谱上峰的位置要比替代掺杂的能级高,类似的结果也在硼、碳、磷和硫掺杂的TiO2上发现。然而对于F掺杂的TiO2,替代掺杂的峰位置比间隙掺杂的高,且与TiO2的晶相无关。还对阴离子掺杂的TiO2进行了热力学研究。结果表明,替换掺杂的形成焓高于间隙掺杂的,因此替代掺杂的TiO2的制备需要苛刻的条件,而间隙掺杂TiO2的制备只需温和的湿化学条件。     

On the Origin of the Visible‐Light Activity of Titanium Dioxide Doped with Carbonate Species

Plane‐wave‐based pseudopotential density functional theory (DFT) calculations are used to elucidate the origin of the high photocatalytic efficiency of carbonate‐doped TiO₂. Two geometrically possible doping positions are considered, including interstitial and substitutional carbon atoms on Ti sites. From the optical absorption properties calculations, we believe that the formation of carbonates after doping with interstitial carbon atoms is crucial, whereas the contribution from the cationic doping on Ti sites is negligible. The carbonate species doped TiO₂ exhibits excellent absorption in the visible‐light region of 400–800 nm, in good agreement with experimental observations. Electronic structure analysis shows that the carbonate species introduce an impurity state from Ti 3d below the conduction band. Excitations from the impurity state to the conduction band may be responsible for the high visible‐light activity of the carbon doped TiO₂ materials.     

Synthesis and characterization of substitutional and interstitial nitrogen-doped titanium dioxides with visible light photocatalytic activity

Both substitutional and interstitial nitrogen-doped titanium dioxides (N-TiO₂) were prepared. Their surface states were clarified by XPS spectra of N 1s, O 1s and Ti 2p. The results of photocatalysis show that both substitutional and interstitial N impurities greatly enhance the photoactivity of TiO₂ in visible light. Moreover, the visible light activity of interstitial N-doped TiO₂ is higher than that of substitutional N-doped TiO₂. The microwave synthesis presented in this paper is a promising and practical method to produce interstitial nitrogen-doped photocatalysts with high visible light activity.     

Ab initio calculations on CO4 centers in silicon dioxide

Ab initio SCF-MO Hartree–Fock calculations were performed using the STO-3G, 6-31G, and 6-31G* basis sets to model hypothetical substitutional carbon impurities in silicon dioxide. We utilized nine-atom clusters, [C(OH)₄]^qt, with charge number q_t = 0 and + 1. The positions of the C and O atoms were varied to achieve minimum total energies, while the fixed protons served to simulate the rigid crystal surroundings. In the optimized configuration of the neutral cluster, the C? O bond lengths are appreciably longer than typical C? O bonds, indicating relatively weak bonds for a carbon impurity at a silicon site. For comparison, the relative positions of all nine atoms in the [C(OH)₄]⁰ model were allowed to vary. This unconstrained model yielded more normal bond lengths and was lower in energy than the fixed-proton model by 6.80 eV with the 6-31G* basis set. The free-H model compared favorably with the x-ray diffraction data for an analogous orthocarbonate. Our results are in concert with the lack of reports of any substitutional carbon impurity in α-quartz. In the fixed-H models, the twofold local symmetry was found to be retained when q_t is 0 but not when q_t is + 1. For the latter ion, the unrestricted H-F calculations indicate that this paramagnetic center has its spin population almost entirely on one oxygen ion and is high in energy (5.31 eV with 6-31G) compared to the diamagnetic neutral one. Conclusions reached with the nine-atom clusters were confirmed by a series of calculations on the extended model [C(OSiH₃)₄]⁰.     

Theoretical study of N-doped TiO2 rutile crystals

The N-doping effects on the electronic and optical properties of TiO2 rutile crystal have been studied using density functional theory (DFT). The calculations of several possible N-doped structures show that band gaps have little reduction but some N 2p states lie within the band gap in the substitutional N to O structure and interstitial N-doped rutile supercell, which results in the reduction of the photon-transition energy and absorption of visible light. In contrast, substitutional N to Ti doped model has a significant band-gap narrowing. The results maybe clarify confusions in nitrogen-doped TiO2 rutile crystal.     

Study of local lattice relaxation of substitutional impurities in silicon and germanium

Local lattice relaxation of substitutional donors in silicon investigated using self‐consistent multiple scattering Xα (MSXα) method within the framework of the standard muffin‐tin potential approximation is extended to substitutional donors in germanium and substitutional acceptors in both silicon and germanium. Incorporating the effect of lattice relaxation surrounding the impurity makes the model suitable for both shallow and deep levels. Chemical trends of some aspects of impurity states, such as local lattice relaxation and charge transfer, of the impurities both in silicon and germanium are inferred. © 2004 Wiley Periodicals, Inc. Int J Quantum Chem, 2004     

Structural, electronic, and optical properties of oxygen defects in Zn3N2

The structural, electronic, and optical properties of oxygen-defective Zn(3)N(2) were studied by means of density functional theory. The geometry optimization result shows that pure Zn(3)N(2) is cubic in structure, which is in agreement with experiment. Our results indicate that Zn(3)N(2) with nitrogen replaced by oxygen is more stable than that with interstitial oxygen and the substitutional oxygen for nitrogen in defective Zn(3)N(2) is responsible for the n-type conduction character. The possible optical transition mechanisms are discussed.