浓度对Co掺杂ZnO的影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝式方法,详细研究了本征ZnO和Co掺杂ZnO的电子结构和光学性质。计算结果表明,Co掺入ZnO后,Co的大部分3d电子位于费米能级附近,O的2p轨道电子发生分裂,并进入费米能级与Co的3d电子发生杂化,价带电子向低能级端移动,带隙变大,但随掺杂浓度的增大这种现象并不明显。另外ZnO掺Co后,由于Co的3d电子的引入,使得吸收谱中出现新的吸收峰,并发生蓝移现象,这与实验得到的结果相一致;静态介电常数明显增大,但随掺杂浓度的增大基本保持不变。     

Co和Mn共掺杂ZnO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总体能量平面波超软赝势方法,结合广义梯度近似,对未掺杂ZnO与Co和Mn共掺杂ZnO的32原子超原胞体系进行了几何结构优化,计算了纤锌矿结构ZnO与Co和Mn共掺杂ZnO的能带结构、电子态密度和光学性质,并进行了详细的分析.计算结果表明,相对于未掺杂ZnO,Co和Mn共掺杂ZnO的禁带宽度有所减小,对紫外-可见光的吸收能力明显增强. 关键词： ZnO 第一性原理 电子结构 光学性质     

Al高掺杂浓度对ZnO禁带和吸收光谱影响的第一性原理研究

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法, 建立了未掺杂与不同浓度的Al原子取代Zn原子的两种Zn_1-xAl_xO超胞模型,分别对模型进行了几何结构优化、态密度分布和能带分布的计算. 结果表明: ZnO高掺杂Al的条件下, 掺杂的Al原子浓度越大,间隙带越窄, 蓝移越弱. 计算结果和实验结果相一致.     

Mn高掺杂浓度对ZnO禁带宽度和吸收光谱影响的第一性原理研究

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法, 建立了未掺杂与不同浓度的Mn原子取代Zn原子的三种Zn_1-xMn_xO超胞模型, 分别对模型进行了几何结构优化、态密度分布、能带分布和吸收光谱的计算. 结果表明: 电子非自旋极化处理的条件下, Mn掺杂浓度越小, ZnO形成能越小, 掺杂越容易, 晶体结构越稳定; Mn的掺入使得ZnO体系的杂质能带和导带发生简并化, 并且导带底和价带底同时向低能方向移动, 掺杂后的导带比价带下降得少导致禁带宽度变宽, ZnO吸收光谱明显出现蓝移现象, 计算结果和实验结果相一致. 同时, 电子自旋极化处理的条件下, 体系有磁性, 吸收光谱发生红移现象. 计算结果与相关实验结果相符合.     

Nd、N掺杂ZnO的电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理,使用GGA+U方法计算出N、Nd分别单掺ZnO及N、Nd共掺ZnO晶体的形成能,能带结构,态密度及光学性质.经过对比发现:N、Nd各掺杂ZnO中,共掺体系比单掺体系更容易形成,其中低浓度掺杂难度更低;共掺体系随着掺杂浓度的升高,其畸变的强度就越强,禁带宽度变窄,电子跃迁到导带上所需的能量更小,光吸收系数较大,并且都产生了红移,光谱响应范围扩展到了整个可见光区域;共掺体系在低能区域的介电谱峰值较高,说明其极化能力较强,光生电场强度较大,会使光激发载流子在晶体内的迁移变快,对电荷的束缚能力增强.因此N、Nd共掺可以有效提升ZnO的光催化性和极化能力.     

过渡金属与氮共掺杂ZnO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框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,结合广义梯度近似(GGA)研究了过渡族金属(Mn,Fe,Co,Cu)与N共掺杂ZnO的能带结构、电子态密度分布、差分电荷密度和光学性质.计算表明Mn，Fe，Co与N共掺ZnO的光学性质与Mn，Fe，Co单掺杂相近，但是过渡族金属与N共掺杂有利于获得p型ZnO. 关键词： ZnO 第一性原理 电子结构 光学性质     

Cu-Co共掺杂ZnO光电性质的第一性原理计算

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了本征ZnO,Cu 1021cm-3单掺杂ZnO,Co单掺杂ZnO,Cu-Co共掺杂ZnO的电子结构和光学性质.结果表明,在本文掺杂浓度数量级下,Cu,Co单掺杂可以提高ZnO的载流子浓度,从而改善ZnO的导电性,Cu-Co共掺杂时ZnO半导体进入简并状态,呈现金属性.这三种掺杂ZnO均会在可见光和近紫外区域出现光吸收增强现象,其中由于Cu离子与Co离子之间的协同效应,Cu-Co共掺杂ZnO对太阳光的吸收大幅增加,因此Cu-Co共掺杂ZnO可以用于制备高效率的太阳电池.     

不同浓度Ag掺杂ZnO电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法,研究了不同浓度Ag掺杂ZnO体系的电子结构和光学性质。计算结果表明,不同浓度Ag原子代替Zn原子后会导致电子结构和光学性质有显著的改变,能带随掺杂浓度的增大带隙渐渐变窄,光吸收、反射等也随银掺杂浓度的增大先是向高能端偏移再向低能端移动。这暗示Ag掺杂ZnO对其电子结构及光学性质有很大的影响,为进一步研究掺杂对ZnO性质的影响提供理论基础。     

Hf、N以不同比例掺杂ZnO的第一性原理计算

基于第一性原理密度泛函理论,计算分析了Hf、N以不同掺杂比例掺杂ZnO(Zn_(16)O_(16))形成Zn_(15)O_(16-x_HfN_x(x=1,2,3,4)体系的结构参数、电子结构、Mulliken电荷布居和光学方面的性质.计算结果表明,掺杂体系晶胞体积不同程度增大;x=1时体系的费米能级上移进入导带使其呈现n型半导体特征,吸收峰和反射峰红移较小,尤其是反射峰,主要表现为强度的变化;但x=2,3,4体系的费米能级均在价带顶附近,且随掺杂比例的增大,掺杂体系的费米能级进入价带的深度逐渐增大,N 2p态的贡献作用也越来越显著,使掺杂体系呈现p型半导体特征,吸收峰和反射峰均有较大的红移,这将有利于ZnO体系在可见光领域的应用.     

Hf、N以不同比例掺杂ZnO的第一性原理计算

基于第一性原理密度泛函理论,计算分析了Hf、N以不同掺杂比例掺杂ZnO（Zn16O16）形成Zn15O16-xHfNx（x=1,2,3,4）体系的结构参数、电子结构、Mulliken电荷布居和光学方面的性质。计算结果表明,掺杂体系晶胞体积不同程度增大;x=1时体系的费米能级上移进入导带使其呈现n型半导体特征,吸收峰和反射峰红移较小,尤其是反射峰,主要表现为强度的变化;但x=2,3,4体系的费米能级均在价带顶附近,且随掺杂比例的增大,掺杂体系的费米能级进入价带的深度逐渐增大,N 2p态的贡献作用也越来越显著,使掺杂体系呈现p型半导体特征,吸收峰和反射峰均有较大的红移,这将有利于ZnO体系在可见光领域的应用。     

Ga掺杂ZnO电子结构和吸收光谱的第一性原理研究

采用第一性原理的平面波赝势方法和广义梯度近似,研究了纤锌矿ZnO掺杂Ga前后的电子结构和光学性质.计算结果表明,ZnO中引入杂质Ga后,导带底主要由Ga4s态和Zn4s态构成,并且Ga4s态跨过费米能级,形成n型半导体.计算得到电子浓度为2.42×10~(21)cm~(-3),掺Ga有效提高了ZnO的载流子浓度.同时ZnO掺Ga后,ZnO的光学带隙从3.47 eV展宽为4.25 eV,并且在可见光区几乎无吸收,是理想的透明导电材料.     

Al和Ni共掺ZnO光学性质的第一性原理研究

利用第一性原理方法研究了纯ZnO以及掺杂Al,Ni和（Al,Ni）共掺的ZnO材料,对掺杂前后晶体的几何结构、能带结构和电子态密度,特别是光学性质进行了比较分析. 计算结果表明,纯ZnO与Al-ZnO,Ni-ZnO和（Al,Ni）-ZnO的介电函数虚部在低能区有明显的差异,但在高能区则较为相似. 在光学性质上,Al-ZnO较之Ni-ZnO在可见光区的吸收系数和反射率都非常低,反映其在可见光区有高透过率. 而两原子共掺后的（Al,Ni）-ZnO,其光学性质较之单原子掺杂的情况有非常显著的变化. 关键词： ZnO 掺杂 第一性原理 光学性质     

W掺杂ZnO电子结构与光学性质第一性原理计算

采用了基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法,计算本征ZnO和不同W掺杂浓度下W:ZnO体系的电子结构和光学性质.计算结果表明:W掺杂可以提高ZnO的载流子浓度,从而改善ZnO的导电性.掺杂后,吸收光谱发生红移现象,且光学性质变化集中在低能量区,而高能量区的光学性质没有太大变化,计算结果与相关实验结果相符合.最后,结合电子结构定性分析了光学性质的变化.     

Co掺杂闪锌矿ZnO的磁性和光学性质

采用自旋极化密度泛函理论方法对Co掺杂闪锌矿ZnO的能带结构、态密度、磁学和光学属性进行了研究.计算结果显示:Co掺杂闪锌矿ZnO的基态是反铁磁态,具有金属性特征;而铁磁态具有半金属性特征.铁磁耦合在费米能级附近出现了明显的自旋劈裂现象,表现出明显的不对称性和强烈的Co 3d和O 2p杂化效应.磁矩主要来源于Co 3d轨道电子以及部分近邻耦合的O 2p轨道电子,大小与Co原子的掺杂位置有关.光学性质计算结果显示,Co掺杂闪锌矿ZnO在可见光范围内都有较强的光吸收能力,吸收峰在高能区发生了红移现象.理论计算结果表明,Co掺杂闪锌矿ZnO或许是一种优异的磁光材料.     

Mn,Fe,Co掺杂GaAs电子结构与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本征GaAs以及3d过渡金属Mn、Fe、Co单掺杂GaAs晶体的电子结构及其光学性质进行理论计算以及对比研究.计算结果表明:能带结构中三种掺杂体系均引入新的能级,能带条数增多,导带底与价带底顶向深能级移动,带隙减小;费米能级附近出现了杂质能级,导致掺杂体系光子能量位于0时介电函数虚部便有所响应,掺杂体系相较于本征体系的静介电常数有所提升;Mn、Fe、Co三种掺杂体系相较于本征体系在红外以及远红外区域吸收系数得到了明显的提升,其中Fe掺杂GaAs的光催化特性最好.     

Pt掺杂CdS光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,运用Castep计算分析了Pt元素掺杂CdS结构,对本征CdS和掺杂晶体的能带结构、态密度以及光学性质进行了分析对比, 由掺杂前后的结果分析发现：Pt掺杂闪锌矿相CdS产生了新的能带,带隙明显缩小;CdS的吸收边产生红移,禁带宽度变窄,在可见光区具有较大吸收系数,提高了可见光的利用率,表现出较好的可见光光催化活性。     

Cu-Fe共掺杂ZnO电子结构与光学性质的第一性原理计算研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了本征ZnO,Cu、Fe单掺杂和Cu-Fe共掺杂ZnO的电子结构和光学性质.计算结果显示:Cu掺杂属于p型掺杂,Fe掺杂属于n型掺杂,单掺杂时Cu-3d态电子和Fe-3d态电子均在禁带形成杂质能级,从而提高ZnO的载流子浓度,改善ZnO的导电性能,而Cu-Fe共掺杂时ZnO半导体进入简并态,呈现金属特性.掺杂后的ZnO介电函数虚部变化主要集中在低能量区域,光谱吸收系数及反射率曲线发生红移,其中本征ZnO对太阳光谱有较好的透射性,Fe单掺杂和Cu-Fe共掺杂ZnO对可见光谱有相似的吸收效果,而Fe单掺杂ZnO对近紫外区域的光谱透射率更小,适用于制备防紫外线薄膜.     

Pt掺杂CdS光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,运用Castep计算分析了Pt元素掺杂CdS结构,对本征CdS和掺杂晶体的能带结构、态密度以及光学性质进行了分析对比, 由掺杂前后的结果分析发现：Pt掺杂闪锌矿相CdS产生了新的能带,带隙明显缩小;CdS的吸收边产生红移,禁带宽度变窄,在可见光区具有较大吸收系数,提高了可见光的利用率,表现出较好的可见光光催化活性。     

不同浓度下V掺杂Mg2Si的第一性原理研究

本文用基于密度泛函理论的超软赝势平面波方法,分别计算了四种V掺杂模型Mg_2-xV_xSi(x=0,0.25,0.5,0.75)的电子结构和光学性质,并对其能带图、态密度图和光学性质进行了分析.结果表明,V掺杂之后会使Mg₂Si由其原本的半导体性变为半金属性,在费米能级处出现了杂质能级,态密度图也显示V元素的3d轨道的贡献在费米能级附近占据主导地位,Mg₂Si的光学性质随着V元素的掺入也发生了改变.该文为Mg₂Si材料在电子器件和光学器件方面的应用提供了理论依据.     

Ga高掺杂对ZnO的最小光学带隙和吸收带边影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法, 建立了纯的和四种不同Ga掺杂量的ZnO超胞模型, 分别对模型进行了几何结构优化、能带结构分布、态密度分布和吸收光谱的计算. 结果表明, 在本文限定的Ga掺杂量2.08 at%–6.25 at%的范围内, 随着Ga掺杂量的增加, 掺杂后的ZnO体系体积变化不是很大, 但是, 掺杂体系ZnO的能量增加, 掺杂体系变得越来越不稳定, 同时, 掺杂体系ZnO的Burstein-Moss 效应越显著, 最小光学带隙变得越宽, 吸收带边越向高能方向移动. 计算结果和实验结果相一致. 关键词： Ga高掺杂ZnO 电子结构 吸收光谱 第一性原理