(La,Y)掺杂AlN的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平面波超软赝势方法对纯AlN、(La,Y)单掺杂以及La-Y共掺杂AlN 超胞进行几何结构优化,计算了稀土元素(La,Y)掺杂前后体系的能带结构、态密度和光学性质。结果表明:未掺杂的AlN是直接带隙半导体,带隙值为E_g=4.237 eV,在费米能级附近,态密度主要由Al-3p、N-2s电子轨道贡献电子,光吸收概率大,能量损失较大;掺杂后使得能带结构性质改变,带隙值降低,能带曲线变密集,总态密度整体下移;在光学性质中,稀土元素掺杂后均提高了静态介电常数、光吸收性能,增强了折射率和反射率,减小了电子吸收光子概率及能量损失;其中La-Y共掺体系变化得较为明显。     

硅基Ⅳ族SiGeSn三元合金晶格结构、电子结构和光学性质的第一性原理

SiGeSn三元合金由于具有较二元合金更大的晶格和能带性质调控范围,是当前用于制作硅基激光器的热点材料。为全面且精确地研究其晶格结构、电子结构和光学性质,本文采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,并结合准随机近似和杂化泛函带隙修正,首先研究SiGeSn晶格常数及其弯曲系数的变化规律,并给出了解决GeSn二元晶格失配和压应变问题的方案。其次比较研究了SiGeSn与GeSn合金的能带结构,并通过态密度计算分析了Si的引入对合金带隙变化的物理机制。最后比较研究了SiGeSn与GeSn合金的介电函数谱、吸收系数、消光系数、反射率、折射率和发射率等光学性质。结果表明,SiGeSn晶格常数弯曲系数的变化与合金电负性差值的变化规律一致,Si-p电子态是SiGeSn合金带隙变化的最主要贡献。相比于同Sn浓度的GeSn合金,SiGeSn能保持直接带隙特征,且其带隙值和光吸收波长呈现更宽的变化范围。因此在拓宽硅基高效光源和光电探测器应用波段方面,SiGeSn相较于GeSn合金具有更大的应用潜力和优势。     

不同位置Mg掺杂ZnO电荷转移和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论计算了本征氧化锌、6.25%Mg以及同位、邻位、间位12.5%Mg原子掺杂氧化锌晶体的几何结构、原子轨道电子布居、静电势和电子结构特征;探究了Mg原子掺杂对氧化锌能带结构、态密度以及对应的光学性质和电学性质的影响。结果表明Mg掺杂会导致氧化锌晶体的晶格体积变大,载流子迁移率降低和吸收边蓝移;邻位双原子掺杂(ZnO+2Mg-ac、ZnO+2Mg-ad)可以显著降低氧化锌的光吸收系数和反射率,提升对太阳光的透过率;Mg掺杂氧化锌晶体适用于制作高质量光学透射膜。     

Mg2Sn机械性质及热电输运性能的第一性原理计算

窄带隙半导体材料Mg₂Sn具有丰度大、密度低、无毒及环境友好等特点,是中低温热电材料的优秀候选者。本文基于密度泛函理论,结合不同形式的电子交换关联能系统分析了Mg₂Sn晶体的弹性系数、声子振动谱和电子能带结构,并基于非平衡玻尔兹曼输运理论计算了Mg₂Sn的热电性能。结果表明,GGA-PBE作为电子交换关联能可以很好地拟合立方相Mg₂Sn的力学性能(声子振动谱无虚频率),其体弹性模量为42.1 GPa且各向同性。同时,当工作温度高于300 K,Mg₂Sn的德拜温度开始趋于平缓且不高于315 K,表明Mg₂Sn在该温度区域内具有低声子热导率。使用B3LYP作为电子交换关联能可以估算Mg₂Sn费米能级附近的电子结构,发现价带顶附近存在三重简并态。同时计算结果表明,Mg₂Sn p型掺杂下的热电优值(ZT值)优于n型掺杂,可达1.05。本研究结果为进一步优化Mg₂Sn热电性能的研究提供借鉴。     

AlxGa1-xN氮化物结构和热力学性质的第一性原理研究

为了掌握Ⅲ族氮化物微观结构对热力学性能的影响规律,进而为超高功率器件的设计提供数据支持,本文借助第一性原理计算软件CASTEP,对半导体Al_xGa_1-xN不同合金结构及其热性能进行了系统研究。结构优化和数据分析后发现,Al_xGa_1-xN的晶格常数、平均键长和晶格热容值随Al组分值x(原子数分数)增大而线性减小。热力学性质计算结果表明,在GaN中引入Al组分会在频率带隙中引入杂质模,随着Al组分浓度的增加杂质模变宽并进入低频段,在低频段顶部频率随Al组分增大而线性升高,在12.5%以上低频段顶部频率均大于 (1/2)A₁(LO)。温度从300 K到700 K变化时, 合金热容随温度变化关系结果证明,在确定温度时,Al_xGa_1-xN合金热容随Al组分增大而线性减小。本文的研究为以Al_xGa_1-xN为代表的Ⅲ族氮化物半导体高功率器件设计提供了一定的设计参考。     

S-La共掺杂ZnO性能的第一性原理研究

采用基于广义梯度近似的第一性原理方法,研究了纯ZnO、S单掺、La单掺和S-La共掺ZnO的能带结构、态密度和光学性质。S单掺ZnO后,价带和导带同时向低能量转移,导致带隙减小。La单掺ZnO后在导带底产生杂质能级使得带隙减小。S-La共掺ZnO导致La的局部化减弱,表明La形成的施主能级由于S的3p态的影响变得更浅,从而减小了带隙。和纯ZnO相比,掺杂后的ZnO吸收系数和反射系数都减小,导致透射能力增强,为ZnO作为透明导电氧化物应用于太阳能电池提供了潜在的理论依据。     

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。     

K、Ti掺杂Mg2Si电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用第一性原理方法,对本征Mg₂Si以及K和Ti掺杂Mg₂Si的几何结构、电子结构和光学性质进行计算分析。计算结果表明本征Mg₂Si是带隙值为0.290 eV的间接带隙半导体材料,K掺杂Mg₂Si后,Mg₂Si为p型半导体,电子跃迁方式由间接跃迁变为直接跃迁,Ti掺杂Mg₂Si后,Mg₂Si为n型半导体,仍然是间接带隙。K、Ti掺杂后的静介电常数ε₁(0)从20.52分别增大到53.55、69.25,使得掺杂体系对电荷的束缚能力增强。掺杂后,吸收谱和光电导率均发生红移现象,这有效扩大了对可见光的吸收范围,此外可见光区的吸收系数、反射系数以及光电导率都减小,导致透射能力增强,明显改善了Mg₂Si的光学性质。     

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<...     

Prospects and Opportunities of 2D van der Waals Magnetic Systems

The existence of spontaneous magnetization in low dimensional magnetic systems has attracted intensive studies since the early 60s and research remains very active even now. Only recently, magnetic van der Waals (vdW) systems down to a few layers have been broadly discussed for their magnetic order ground states at finite temperature. The naturally inherited layered structure of the vdW magnetic systems possessing onsite magnetic anisotropy from band electrons can suppress the long-range fluctuations. This provides an excellent vehicle to study the transition of magnetism to 2D limits both theoretically and experimentally. Here the current status of 2D vdW magnetic system and its potential applications are briefly summarized and discussed.