Sc、Ce掺杂CrSi2的电子结构与光学性质的第一性原理

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法对Sc、Ce单掺和共掺后CrSi₂的几何结构、电子结构、复介电函数、吸收系数和光电导率进行了计算。结果表明:Sc、Ce掺杂CrSi₂的晶格常数增大,带隙变小。本征CrSi₂的带隙为0.386 eV,Sc、Ce单掺及共掺CrSi₂的禁带宽度分别减小至0.245 eV、0.232 eV、0.198 eV,费米能级均向低能区移动进入价带。由于Sc的3d态电子和Ce的4f态电子的影响,Sc、Ce掺杂的CrSi₂在导带下方出现了杂质能级。掺杂后的CrSi₂介电函数虚部第一介电峰峰值增加且向低能方向移动,说明Sc、Ce掺杂使得CrSi₂在低能区的光跃迁强度增强,Sc-Ce共掺时更明显。Sc、Ce掺杂的CrSi₂吸收边在低能方向发生红移,在能量大于21.6 eV特别是在位于31.3 eV的较高能量附近,本征CrSi₂几乎不吸收光子,Sc单掺和Sc-Ce共掺CrSi₂吸收光子的能力有所增强,并在E=31.3 eV附近形成了第二吸收峰。说明掺杂Sc、Ce改善了CrSi₂对红外和较高能区光子的吸收。在小于3.91 eV的低能区掺杂后的CrSi₂光电导率增加。在20.01 eV<E<34.21 eV时,本征CrSi₂光电导率为零,但Sc、Ce掺杂后的体系不为零,掺杂拓宽了CrSi₂的光响应范围。研究结果为CrSi₂基光电器件的应用与设计提供了理论依据。     

Y掺杂WS2二维材料的第一性原理研究

WS₂由于其优异的物理和光电性质引起了广泛关注。本研究基于第一性原理计算方法,探索了本征单层WS₂及不同浓度W原子替位钇(Y)掺杂WS₂的电子结构和光学特性。结果表明本征单层WS₂为带隙1.814 eV的直接带隙半导体。进行4%浓度(原子数分数)的Y原子掺杂后,带隙减小为1.508 eV,依旧保持着直接带隙的特性,随着Y掺杂浓度的不断增大,掺杂WS₂带隙进一步减小,当浓度达到25%时,能带结构转变为0.658 eV的间接带隙,WS₂表现出磁性。适量浓度的掺杂可以提高材料的导电性能,且掺杂浓度增大时,体系依旧保持着透明性并且在红外光和可见光区对光子的吸收能力、材料的介电性能都有着显著提高。本文为WS₂二维材料相关光电器件的研究提供了理论依据。     

单层MXene纳米片Ti2N电磁特性的过渡金属(Sc、V、Zr)掺杂效应

二维材料MXene纳米片由于具有较大的比表面积和较高的电子迁移率而受到广泛的关注。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,对单层MXene纳米片Ti₂N电磁特性的过渡金属(Sc、V、Zr)掺杂效应进行了系统研究。结果表明,所有过渡金属掺杂体系结合能均为负值,结构均稳定;其中Ti₂N-Sc体系的形成能为-2.242 eV,结构更易形成,且保持稳定;掺杂后Ti₂N-Sc、Ti₂N-Zr体系磁矩增大;此外,Ti₂N-Sc体系中保留了较高的自旋极化率,达到84.9%,可预测该体系在自旋电子学中具有潜在的应用价值。     

Mg,N掺杂β-Ga2O3光电性质的第一性原理计算

通过基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了Mg单掺杂、N单掺杂和不同浓度的Mg-N共掺杂β-Ga₂O₃的结构性质、电子性质和光学性质,以期获得性能比较优异的p型β-Ga₂O₃材料。建立了五种模型:Mg单掺杂、N单掺杂、1个Mg-N共掺杂、2个Mg-N共掺杂和3个Mg-N共掺杂β-Ga₂O₃。经过计算,3个Mg-N共掺杂β-Ga₂O₃体系的结构最稳定。此外,在5种模型中,3个Mg-N共掺杂β-Ga₂O₃体系的禁带宽度是最小的,并且N 2p和Mg 3s贡献的占据态抑制了氧空位的形成,从而增加了空穴浓度。因此,3个Mg-N共掺杂β-Ga₂O₃体系表现出优异的p型性质。3个Mg-N共掺杂体系的吸收峰出现明显红移,在太阳盲区的光吸收系数较大,这归因于导带Ga 4s、Ga 4p、Mg 3s向价带O 2p、N 2p的带间电子跃迁。本工作将为p型β-Ga₂O₃日盲光电材料的研究和应用提供理论指导。     

La掺杂和空位对ZnS磁性和光学性能影响的第一性原理研究

利用密度泛函理论框架下的平面波超软赝势法,通过第一性原理对La掺杂与Zn空位(V_(Zn))及La掺杂与S空位(V_S)共存的ZnS体系的电子结构、磁性机理、形成能及吸收光谱进行了研究.结果表明, La掺杂与空位(V_(Zn)或V_S)的空间位置最近时,掺杂体系的形成能最低,体系最稳定.另外,La掺杂与Zn空位共存时,体系具有磁性,且体系的净磁矩与La原子与Zn空位的相对位置有关;La掺杂与S空位共存时,掺杂体系无磁性,但此时体系的禁带宽度最窄且吸收光谱红移最显著.     

Ni、Mo共掺杂对SnO2材料性能影响的仿真研究

针对AgSnO₂触头材料存在的不足,采用基于密度泛函理论的第一性原理对SnO₂、Ni单掺杂、Mo单掺杂以及Ni-Mo共掺杂SnO₂材料进行了电性能与力学性质的研究,计算了各体系的形成能、能带结构、态密度、弹性常数等各项参数。结果表明,掺杂后的材料可以稳定存在,且仍为直接带隙半导体材料。与未掺杂相比,掺杂后体系的能带结构带隙值减少,其中Ni-Mo共掺杂时的带隙值最小,载流子跃迁所需能量减少,极大地改善了SnO₂的电性能;由弹性常数计算了剪切模量、体积模量、硬度等参数,其中Ni-Mo共掺杂时的硬度大幅降低,韧性增强,有利于AgSnO₂触头材料后续加工成型,且其普适弹性各向异性指数最小,不易形成裂纹。综合各项因素,Ni-Mo共掺杂能够很好地改善SnO₂的性能,为触头材料的发展提供了理论指导。     

二维CdO的低晶格热导率研究

寻求具有较小晶格热导率k_lat的高热电性能的二维材料具有重要意义。基于从头计算和声子玻耳兹曼输运理论,该研究首先对二维CdO结构进行优化,并通过计算声子谱验证了单层CdO的动力学稳定性。在此基础上详细研究了单层CdO的声子输运性质。计算表明在室温下单层CdO的晶格热导率k_lat约为5.7 W/(m·K),低于单层石墨烯、磷烯、黑磷和MoS₂等二维材料的晶格热导率。其中,Z方向声学模式(Z-direction acoustic, ZA),横声学支(transverse acoustic,TA),纵声学支(longitudinal acoustic, LA),Z方向光学模式(Z-direction optical, ZO),横光学支(transverse optical, TO),纵光学支(longitudinal optical, LO)对k_lat的百分比贡献分别为73.7％、13.9％、3.7％、2.8％、4.7％和1.2％。研究发现,ZA、TA、LA声学支和光学支之间的强散射是导致单层CdO低热导率的原因。本文计算结果可用于指导基于CdO的低维热电器件的设计。     

Ru、Rh、Pd掺杂GaSb的电子结构和光学性质

运用第一性原理计算方法研究了过渡族金属TM(TM=Ru、Rh、Pd)掺杂GaSb的电子结构和光学性质,结果表明:TM掺杂GaSb主要以TM替代Ga(TM @Ga)缺陷存在,并可增强GaSb半导体材料对红外光区光子的响应,使体系光学吸收谱的吸收边红移;TM@Ga所引入的杂质能级分布于零点费米能级附近,这极大地增强了体系的介电性能,促进了电子-空穴对的产生和迁移,因而提升了掺杂体系的光电转换效率;Ru 掺杂对GaSb光学性质的改善最为明显,当掺杂浓度为6.25%(原子数分数)且均匀掺杂时,Ru掺杂GaSb体系对红外光区光子的吸收幅度最大,有效提升了GaSb光电转换效率和光催化活性。     

Fe掺杂α-Bi2O3光电性质的第一性原理研究

采用第一性原理杂化泛函HSE06方法对Fe掺杂α-Bi₂O₃的电子结构和光学性质进行了计算研究。结果表明,Fe掺杂α-Bi₂O₃体系有较小的结构变形,本征α-Bi₂O₃的禁带宽度为2.69 eV,Fe掺杂使α-Bi₂O₃的禁带宽度减小(约为2.34 eV)。对其光学性质研究得出Fe掺杂扩展了α-Bi₂O₃对可见光的吸收范围,即发生了红移,从而为Fe掺杂α-Bi₂O₃在光催化领域中的应用提供了理论依据。     

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。