基于二维材料WX_2构建的范德华异质结的结构和性质及应变效应的理论研究

二维材料过渡金属硫属化物(TMDs),因其优越的物理化学特性及其在光电子器件、光催化等领域的潜在应用价值,得到了人们的广泛关注。基于TMDs材料可以构建具有不同性能的范德华(vdW)异质结,但构建的异质结由于其固有的能带带隙大小限制了其在全光谱上的响应,因而对其能带带隙调控变得十分重要。本文基于第一性原理方法系统地研究了WX_2 (X=S, Se, Te)从单层到体相的结构和性质,以及由此组装的vdW异质结构WS_2/WSe_2、WS_2/WTe_2和WSe_2/WTe_2的结构和性质以及应力应变对异质结构的能带带隙的影响。结果表明:结合HSE06泛函和自旋轨道耦合(SOC)效应的计算方案可以精确描述WX_2体系;异质结构WS_2/WSe_2,WS_2/WTe_2和WSe_2/WTe_2呈现type-II能带分类;在施加单轴或双轴的应力应变后,能带带隙大小发生相应改变,当晶格形变大于4%后,异质结构由半导体特性变成具有金属性。这些研究为光电子器件的设计提供了重要的指导意义。     

Mg~(2+)掺杂锰酸锂的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法对Mg~(2+)掺杂锰酸锂的晶格常数与能带结构、态密度、键布居进行计算和分析,计算结果表明:掺杂Mg~(2+)后将会促使Mn、 O原子的电荷重新分布且其相互作用加强,能带带隙减小,费米能级附近的带数增加,费米能由-1.29 eV增加到-1.02 eV, Mn、 O、 Mg在总态密度中贡献比较大,锂离子贡献比较小且峰型尖锐局域化严重,提高了Li~+的扩散效率, Mn—O键变短,共价性增强,形成的共价键较稳定,其相互作用形成的骨架较稳定不易坍塌.从而提高了材料的循环充放电性能和电池使用寿命.     

含谐振单元和弹性支承谐振单元的声子晶体低频禁带特性研究

在结构中周期性地添加谐振单元可以构造局域共振声子晶体并产生低频禁带。本文提出了一种具有谐振单元和弹性支承谐振单元的声子晶体结构,通过声子晶体理论和振动理论对该结构的禁带特性和禁带调控特性进行了计算与分析。结果表明,该结构可在0 Hz处形成禁带;禁带内对振动的衰减强度由衰减因子和有限结构周期数共同决定;结构中存在1条可调控禁带和3条不可调禁带;可调控禁带可以通过改变谐振单元和弹性支承谐振单元的结构参数加以调控;不可调禁带包括第一禁带,它们能够较为稳定地对一定频率的弹性波产生衰减作用。该结构所具有的禁带特性在管路、桥梁和汽车减振领域具有潜在应用。     

单层2H-MoTe2光电效应的理论研究

材料的禁带宽度是影响光电探测器探测范围的重要因素。单层2H-MoTe₂因具有合适的禁带宽度引起了科研人员广泛的研究兴趣。本文基于非平衡态格林函数-密度泛函理论,采用第一性原理方法,研究了单层2H-MoTe₂的光电效应。结果表明:在线性偏振光照射下,MoTe₂产生的光电流函数与唯象理论相吻合;在光子能量范围1.6~1.8 eV (690~770 nm),对应于红光,能产生较大的光电流。利用能带结构和态密度分析了产生较大光电流的原因主要来自第一布里渊区S点的电子受激跃迁。同时发现在锯齿型方向偏压为0.8 V时,光电流达到峰值;然而在扶手椅型方向偏压为0.4 V时,光电流就达到峰值。这些计算结果可用于指导基于MoTe₂光电探测器的设计,尤其是红外光电探测器的设计。     

体积应变对立方钛酸铅电子结构和光学性质的影响

本文利用第一性原理方法计算并分析了体积应变(-11%~11%)对立方顺电相PbTiO₃的结构、稳定性、电子结构和光学性质的影响。研究发现体积应变后PbTiO₃形成焓增大,稳定性下降,其中压应变对其稳定性的影响比拉应变大。当受到拉伸应变时,立方PbTiO₃由直接带隙半导体变为间接带隙半导体,且带隙随应变增大呈先增大后降低的趋势。在发生压应变时,从复介电函数、复折射率及吸收系数的分析结果可知,在自然光照下PbTiO₃的光吸收能力仅在个别波段有所增大,但总体呈减弱趋势,当产生拉伸应变时,介电峰、吸收峰红移,表明PbTiO₃在可见光范围内光吸收能力增强,并且当应变增大到11%时,PbTiO₃的吸收能力远高于本征立方相。     

界面偶极如何影响有机与钙钛矿太阳电池的能带结构与性能

界面能带结构是指界面处电子能带的弯曲和倾斜。它能显著影响载流子的产生、注入、分离、传输、复合和收集等过程,是半导体光电子器件性能的重要影响因素。因此,优化界面能带结构、调控器件性能与工作机理是光电子器件领域的核心课题之一。如果将一组相距很近的正负点电荷肩并肩排列所组成的偶极层插入器件界面,电势能穿过偶极层时会发生突变,将能有效调控界面能带结构和载流子运动过程。     

应变调控单层氧化锌能带结构的第一性原理研究

The effect of strain on the band structure of the ZnO monolayer has been investigated by firstprinciples calculations based on density functional theory. The results reveal that the band structure of the ZnO monolayer presents different dependences on three types of strain. The band gap linearly and steeply varies under uniaxial zigzag compressive strain and armchair tensile strain, while it shows nonlinear dependence on the other types of strain. Therefore, uniaxial zigzag compressive strain and armchair tensile strain should be the most effective to tune the band gap. This work has significant implications for application of strain to tune the optical and catalytic properties of ZnO nanofilms.     

复合卤氧化铋纳米材料的合成及其光催化性能

采用低温沉淀法合成了一系列Bi OMxN1-x(M,N=Cl、Br、I)(0X1)复合材料,通过XRD、FESEM、TEM、EDS、UV-vis和PL等一系列表征和对有机物罗丹明光催化降解性能的研究表明:通过对复合材料合成过程中卤素离子含量的控制,使得此类固溶体具有独特的微观形貌和可控能带隙,使其在可见光下具有独特的光催化性能。在相同的光照条件下,Bi OCl0.5Br0.5、Bi OCl0.75I0.25和Bi OBr0.75I0.25相对于其他同系列的Bi OMxN1-x(M,N=Cl、Br、I)(0X1)微球样品而言,具有最好的光催化性能。     

一种可以反射p波的土层结构

本文将光子晶体的概念应用于土层结构设计，并利用传输矩阵法计算了p波在土层结构中的传播特性。结果表明，这种土层结构可以全部反射特定频率范围内入射的p波，从而可以减少p波对地上建筑的破坏。此外，还考察了土层的物理特性对反射频带的影响。     

2.5THz量子级联激光器的研制

基于束缚态到连续态跃迁有源区能带结构,实现了2.5THz量子级联激光器的连续波工作。激光器的输出频率随电流可在2.45~2.47THz之间可调,在连续波工作模式下的最高输出功率大于6.0mW,最高连续波工作温度为60K,阈值电流密度为120A/cm2,经Si透镜整形后的输出光斑为高斯分布。