Mg掺杂浓度对GaN电子结构和光学性质的影响

基于密度泛函理论的第一性原理,分析了Mg掺杂浓度对GaN晶格参数、能带结构、电子态密度和光学性质的影响.研究表明:Mg掺杂GaN体系,晶格常数增大,禁带宽度增加,而且禁带宽度随着Mg含量的增加而增加,同时N2p和Mg2p态电子轨道的相互杂化,从而在费米能级附近引入受主能级,随着Mg含量的增加,费米能级进入价带的位置加深,同时Mg掺杂浓度越高,价带和导带带宽越窄.掺Mg后在介电函数和光学吸收谱的低能区和高能区均出现了新的介电峰,这些峰的出现和禁带中的杂质能级到导带底的跃迁有关,由于带隙的增加使介电峰向高能量方向发生偏移.     

Y,Zr,Nb掺杂对单层MoS2电子结构的影响

本文基于第一性原理的方法研究了Y、Zr、Nb在Mo位掺杂单层MoS2的能带结构和态密度.研究发现:Y、Zr、Nb三种杂质在Mo位掺杂使杂质原子附近的键长发生畸变,畸变最大的是Y掺杂体系;Y、Zr、Nb的掺杂改变了单层MoS2能能带结构,使掺杂体系向导体转变;对于Y、Zr、Nb共掺杂体系,Y、Zr共掺杂增强了单层MoS2导电性能;Y、Nb共掺杂单层MoS2的费米能级穿过杂质能级,此处的能级处于半满状态,容易成为电子的俘获中心;Zr、Nb共掺杂体系的禁带中出现了多条杂质能级,同时导带能量上移;Y、Zr、Nb共掺杂可以很大程度改变单层MoS2材料的电子结构.     

C-X(X=Y,Zr)共掺杂SnO2电子结构的第一性原理研究

基于第一性原理方法研究了C单掺杂SnO2和C-X(X=Y,Zr)共掺杂SnO2的能带结构、态密度以及分电荷分布.结果表明:C掺杂、C-Y、C-Zr共掺杂SnO2的带隙值分别为1.109 eV、1.86 eV、1.214 eV,较超胞结构的带隙值降低,有利于电子的跃迁;C-Y共掺杂SnO2的导带底部有3条杂质能级分离出来,C-Zr共掺杂SnO2的能带价带顶部能级中有3条能级分离出来,其中1条能级贯穿费米能级;C-Y,C-Zr共掺杂SnO2的态密度中在低能区会产生1个态密度峰值,部分态密度的峰值由Y、Zr的d轨道贡献;C-Y、C-Zr共掺杂SnO2会打破SnO2电子平衡状态,致使电荷的重新分布.     

基于第一性原理对硅取代、掺杂锯齿形石墨烯纳米带的电子结构及输运性质的研究

本文基于第一性原理对硅取代、掺杂石墨烯纳米带不同位置的电子能带结构、态密度及电子器件的电子输运性质进行了分析与研究.结果表明,锯齿形石墨烯纳米带(ZGNRs)在硅原子取代及掺杂后由原来的半导体态转变为金属态.在各种模型中,对于体系态密度有贡献的一般为原子指数为1、在p轨道的硅原子(Si1p);原子指数为2、在p轨道的硅原子(Si2p)和碳原子(C2p);少量的原子指数为1、在s轨道的氢原子(H1s)和碳原子(C1s).经分析,在各取代位置中两端硅原子取代的锯齿形石墨烯纳米带的体系能量最小,表明其为最有可能发生的取代位置.在掺杂位置中,体系能量计算结果显示填隙硅原子的能量更低,最有可能发生此种掺杂.电子输运性质的研究中,在所有的取代位置中单边硅原子取代组成的电子器件电子输运性质最好.在所有电子器件模型中电子输运性质最好的是填隙硅原子掺杂模型.     

O、Se和Te掺杂对单层MoS2电子能带结构和光学性质的影响

利用密度泛函理论第一性原理,计算了本征单层MoS2以及O、Se和Te掺杂单层MoS2的结构参数、能带结构、氧化还原电势、态密度、光吸收特性和光催化潜力.结果表明,本征和掺杂单层MoS2的晶胞参数、键长随原子半径的增大而增大,键角随原子半径的增大而减小.掺杂后禁带宽度变小,导电性增强.本征和掺杂的单层MoS2的导带底电位负于水解制氢反应的还原势,其价带顶电位正于水解制氢反应的氧化势,均具有光催化水解制氢的潜力.但是,本征和O掺杂,由于价带顶与导带底电位相应于水的氧化还原势和电子空穴需求量均存在不平衡,使其光解水性能不理想.然而,Se和Te掺杂可以平衡其还原与氧化能力,改善单层MoS2的光催化的性能,其中Se掺杂改善效果最为明显.同时,掺杂后的单层MoS2对可见光吸收效率增强.此研究有助于筛选合适的单层MoS2掺杂元素,提高单层MoS2材料的光催化水解制氢性能.     

Fe掺杂CoSb3化合物的热电性能及电子结构研究

采用机械合金化结合冷等静压的方法制备了Co4-xFexSb12化合物,探讨了Fe掺杂对化合物热电性能的影响;利用基于密度泛函理论赝势平面波的方法对Fe掺杂前后的CoSb3的电子结构进行了计算.结果表明:在Co4-xFexSb12化合物中Fe的固溶极限x在0.3～0.5之间;CoSb3的费米而位于导带和价带之间,其电阻率随温度的升高而降低,为非简并半导体;Fe掺杂后费米面进入价带,使其成为P型简并半导体,电阻率较掺杂前大大降低并随温度的升高而增加;本实验条件下,Co37Fe0.3Sb12化合物的功率因子在600 K时出现1406.31μW/ m·K2的最高值,是未掺杂试样的功率因子最高值的7.4倍.     

Au掺杂浓度对Si纳米线电子结构和磁性的影响

利用基于密度泛函理论的第一性原理,对不同直径和浓度Au掺杂Si纳米线的态密度和磁性进行了计算。结果表明:杂质Au的形成能随Si纳米线直径的增大和掺杂浓度的降低而下降,这说明直径越小的Si纳米线掺杂越困难,杂质浓度越高的Si纳米线越不稳定。其磁性是由于Au d轨道和Si p轨道的p-d耦合而产生的;改变Au的掺杂浓度可改变Si纳米线的带隙,也改变了其磁矩的大小。     

B掺杂BaTiO3的电子结构和磁性的第一性原理研究

利用基于第一性原理的自旋极化密度泛函理论计算了B掺杂BaTiO3的稳定性、电子结构和磁学性质.结果表明B掺杂BaTiO3体系稳定,并表现为铁磁性.B替位掺杂BaTiO3体系的磁性机制可归结为部分B2p电子的自旋极化和B2p/O2p与Ti3d电子的p-d耦合作用,B间隙掺杂BaTiO3体系中磁性源于未配对Ti3d电子的自旋极化.     

Cu、Zn掺杂对AlSb电子结构和光学性质的影响

运用密度泛函平面波赝势方法和广义梯度近似,对替代式掺杂Cu和Zn的闪锌矿AlSb的超晶胞晶体结构、电子结构和光学性质进行了计算.分析了其电子态分布和结构的关系,给出了掺杂前后AlSb体系的复介电常数和复折射函数.结果表明,掺有Cu和Zn的AlSb晶体空穴密度增大,会明显提高材料的电导率;两种掺杂体系光学带隙均变窄;通过分析掺杂前后AlSb晶体的复介电常数和复折射函数,解释了体系的发光机制.     

纤锌矿和岩盐结构ZnO的相变、弹性性质和电子结构研究

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(USP)方法,结合广义梯度近似(GGA)计算了岩盐结构(B1)和纤锌矿结构(B4)ZnO的相变、弹性性质,并分析了B1和B4相ZnO在相变点处的电子结构特征.计算结果表明:ZnO在12.72 GPa时发生了由B4相向B1相的转变.B1和B4相ZnO的体弹性模量分别为171.5 GPa和132.8 GPa.能带结构的结果表明B1相是间接带隙半导体,带隙值为1.404 eV,而B4相是直接带隙半导体,带隙值为1.107 eV.     

Ba掺杂Si 笼状化合物结构和电子性质的研究

利用第一性原理研究了Ba_8Si_(46)和Ba_8Ag_6Si_(40)笼状化合物的电子性质.对于Ba_8Si_(46),化合物中Ba原子5d轨道与Si原子3s,特别是3p轨道杂化,一方面导致了Ba_8Si_(46)在费米能级附近有很高的态密度,另一方面说明了笼内Ba原子和笼上Si原子之间存在耦合.对于Ba_8Ag_6Si_(40)分析结果表明,由于Ag的5s轨道向Si的3p轨道转移电子,导致Ag与Si原子间成键趋向离子键.带结构显示这两种化合物具有弱金属特征,但Ba_8Ag_6Si_(40)化合物与费米能级相交的带宽较大,预期这种化合物具有更好的导电性能.     

Ca掺杂ZnO氧化物的电子结构与电性能研究

基于密度泛函理论广义梯度近似第一性原理计算的方法,系统研究了Ca掺杂ZnO氧化物的晶格结构和电子结构,在此基础上分析了其电学性能.结果表明,Ca掺杂ZnO晶胞减小.Ca掺杂氧化物仍为直接带隙半导体材料,带宽达1.5 eV.掺杂体系费米能级附近的能带主要由Cas态、Cap态、Znp态和Op态电子构成,其中p态电子对价带态贡献最大,且Cas态、Znp态和Op态电子之间存在着更强的相互作用.Ca掺杂ZnO氧化物费米能级EF附近载流子浓度增加,运动速度减小,有效质量增加,导电机构为Cas态、Znp态和Op态电子在价带与导带的跃迁,具有更高的电导率,较高的Seebeck系数和综合电性能.     

掺P石墨烯结构和电子性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论第一性原理,在广义梯度近似下,本文研究本征石墨烯和掺杂不同浓度P的石墨烯结构和电子性质并发现本征石墨烯禁带宽度为零;对于P∶C掺杂比分别为1∶17、1∶7、1∶1的石墨烯,其P-C键长由0.142nm的C-C键分别增大为0.1629 nm、0.1625 nm、0.1751 nm,其对应带隙分别由零带隙变为0.28 eV、0.44 eV、1.21eV:费米能级逐渐下降.分析分波态密度后发现,在掺P石墨烯中主要为P原子的3p态电子影响其总态密度.     

基于第一性原理的Gd掺杂ZnO电子结构与吸收光谱研究

采用密度泛函理论下的平面波赝势方法,建立了未掺杂ZnO和两种Gd掺杂浓度的ZnO模型.结构优化后,对各个模型的电子结构、态密度及吸收光谱进行了计算,其中Gd掺杂模型分别采用电子自旋极化与电子非自旋极化两种处理方式.结果表明:电子非自旋极化条件下,Gd掺杂在ZnO禁带中引入杂质能级,ZnO带隙变宽,导致相应的吸收光谱发生蓝移;考虑电子自旋极化时,Gd掺杂后的体系具有铁磁性,自旋电子在无序磁畴贡献的局部磁场内发生自旋能级分裂,使得带隙变窄,相应吸收光谱发生红移.     

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、0.23...     

Co掺杂对ZnO晶体中光生电子瞬态过程的影响

采用气相反应制备了ZnO和ZnO∶Co微晶,并通过热释光研究了材料中的电子陷阱能级(施主能级),采用微波介电谱研究了材料的光生电子瞬态过程.发现纯ZnO热释光谱有两个峰,分别为-183 ℃和-127 ℃,说明存在两个电子陷阱能级;而ZnO∶Co中热释光信号很弱,只有纯ZnO的十分之一.微波介电谱研究表明,由于电子陷阱对导带电子的驰豫作用,纯ZnO材料导带光电子的衰减为一级指数过程,寿命为802 ns.ZnO∶Co微晶体的最大微波介电谱强度低于纯ZnO晶体的五分之一,电子陷阱密度较小,其光生电子快速衰减,过程仅为10～20 ns.结果说明Co掺杂具有明显的抑制电子陷阱能级生成的作用.     

Ni掺杂ZnS的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)赝势平面波方法计算了ZnS体系Ni掺杂前后的能带结构、态密度和光吸收系数曲线。结果表明:纯ZnS的能带结构是直接带隙,态密度显示属离子性较强而共价键较弱的混合键半导体材料。掺Ni的ZnS禁带宽度随掺杂量增加逐渐减小,能带简并度增大,且向低能方向移动;在价带顶出现杂质能级,说明是p型掺杂。纯ZnS在3.9 eV以下无吸收,红外透过率较高。掺Ni后吸收边红移,且在低能端(绿光区)出现新的吸收峰。     

Fe对InP材料电子结构及光学性质的调控机理研究

采用基于密度泛函理论的线性缀加平面波(FLAPW)方法,研究了3d族过渡金属元素Fe对Ⅲ-Ⅴ族半导体InP的电子结构和光学性质的调控机理,并对其能带结构和电荷密度分布进行了分析.结果表明,InP为直接带隙半导体,其价带主要由P-3s和3p态构成,而导带则由In-5s电子态构成.当Fe元素替代In原子后,由于Fe和P原子的轨道杂化作用,InP带隙中出现杂质态,Fe-3d态产生自旋极化效应.随着Fe的掺杂浓度增大,Fe-P原子之间轨道杂化作用明显增加,费米能级逐渐进入价带,这导致了材料的电子跃迁几率提高,光学吸收边明显增强,跃迁峰发生红移.     

P型掺杂BaSnO3的电子结构和光学性能的第一性原理研究

基于密度泛函理论,计算了Y以及In掺杂BaSnO3的稳定性、电子结构和光学性质。结果表明Y以及In掺杂BaSnO3体系结构稳定,且均为p型透明导电材料,在可见光区透过率大于85%,且Y以及In掺杂BaSnO3体系的导电性明显得到了改善。     

F掺杂四方钙钛矿结构BiFeO3的铁磁性和电子结构第一性原理研究

采用第一性原理方法,研究了F掺杂四方钙钛矿结构BiFeO3(T-BiFeO3)的铁磁性和电子结构.基于T-BiFeO3的四种磁结构,本文计算了两种可能的掺杂位置,确定了最稳定的T-BiFeO3-x Fx结构.研究发现,不同F的浓度对T-BiFeO3的总磁矩影响不同,当掺杂为T-BiFeO2.75 F0.25时,其总磁矩最大,为2μB.进一步分析发现,T-BiFeO3-x Fx的总磁矩主要来源于F原子及其最近邻的Fe原子.电子结构分析表明,费米能级附近的杂质态主要是掺杂后Fe 3d轨道和O 2p轨道向高能级移动而形成的.另外,T-BiFeO2.75 F0.25具有比较大的极化强度.