(Co,P)双掺杂MgF2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(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了纯MgF2晶体、Co掺杂MgF2晶体、P掺杂MgF2晶体和(Co,P)双掺杂MgF2晶体的电子结构和光学特性.结果表明,掺杂后的MgF2晶体发生了畸变,原子之间的键长也有所变化.(Co,P)双掺杂后,由于非金属原子p态和金属原子d态之间的轨道杂化,在MgF...     

O掺杂MgF2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(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了O原子不同比例(12.5％,8.33％和6.25％)掺杂MgF2晶体的几何结构、电子结构和光学性质.通过对比发现,由于O原子的掺入,体系的禁带宽度减小,材料呈现半金属性.计算也表明,O掺杂对静态介电常数和光吸收系数有重要调制作用,同时也给出了体系性质变化的...     

Mn掺杂GaN的电子结构及光学性质

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波赝势法(PWP)计算Mn掺杂GaN(Ga1-xMnN)晶体的电子结构及光学性质,详细讨论掺杂后电子结构的变化.计算表明,Mn掺杂GaN使得Mn 3d与N 2p轨道杂化,产生自旋极化杂质带,Ga1-xMnxN表现为半金属性,非常适于自旋注入,说明该种材料是实现自旋电子器件的理想材料.另结合实验结果分析掺杂后体系的光学性质,发现吸收谱在1.3 eV处出现吸收峰,吸收系数随Mn2+浓度增加而增大.分析表明,该峰是源于Mn2+离子e态与t2态间的带内跃迁.     

溶胶-凝胶法制备Fe掺杂MgF2催化剂及其催化1，1-二氟乙烷(R152a)脱HF反应的性能

通过助剂掺杂的方法解决MgF2催化剂高温失活的问题。采用溶胶-凝胶法制备了一系列Fe^3+掺杂的高比表面MgF2催化剂,并通过N2吸附-脱附测试、X射线衍射(XRD)、能量色散X射线光谱(EDS)和NH3程序升温脱附技术(NH3-TPD)、电子自旋共振(ESR)、X射线光电子能谱(XPS)等对FeF3/MgF2催化剂的物化性质进行了表征。结果表明,一定量(物质的量分数小于20%)的Fe^3+掺杂可以有效地减少MgF2晶粒度,且随着Fe^3+掺杂量的增加,催化剂的比表面积、酸性及1,1-二氟乙烷(R152a,C2H4F2)脱HF反应的催化活性均呈现增加趋势,但当Fe^3+掺杂量超过20%时,催化剂明显失活。     

NaTaO3:Cu/W的结构和可见光催化制氢性能

采用高温固相法合成了可见光响应的Cu和W共掺杂NaTaO3光催化剂NaTaO3: Cu/W, 研究了Cu与W的摩尔比和共掺杂量(摩尔分数)对NaTaO3: Cu/W晶体结构、形貌、光吸收性质和可见光催化分解甲醇水溶液制氢活性的影响规律. 结果表明, Cu, W分别以Cu(Ⅱ)和W(Ⅵ)存在于\{NaTaO3: Cu/W中; Cu, W共掺杂不改变NaTaO3的晶体结构, 但能引起晶格畸变, 减小表面台阶间距; 当固定Cu与W的摩尔比, 增大共掺杂量时, 进入NaTaO3晶格的掺杂离子逐渐增多, 使(020)晶面的衍射峰逐渐向高角度方向移动, 光吸收边红移; 进一步增大共掺杂量, (020)晶面衍射峰则向低角度方向移动. 说明过量的掺杂离子不能有效进入晶格, Cu, W对NaTaO3的掺杂存在最大值; 当Cu与W的摩尔比为1: 2, 1: 3和1: 4时, 最大共掺杂量分别为8%, 6%和4%; NaTaO3: Cu/W在最大共掺杂量时光催化制氢活性明显提高. 其中, NaTaO3: Cu/W的光催化制氢活性在Cu与W的摩尔比为1: 4, 共掺杂量为4%时达到最佳值. 结果表明, Cu, W共掺杂NaTaO3可在一定程度上实现电荷平衡, 降低光生电子和空穴的复合几率, 从而提高光催化活性.     

KMgF3∶Eu,X(X=Ce, Cr, Gd, Cu)体系中Eu2+振动光谱和共掺离子的格位取代

测定了一系列单掺杂Eu2+和双掺杂Eu, X(X=Ce, Cr, Gd, Cu)的KMgF3晶体在300 K 和77 K 的高分辨发射光谱以及伴随的振动光谱, 据此研究了Eu2+ 在这些体系中的振动跃迁特征, 并指认了每一振动峰所对应的正则振动模式. 首次发现了在共掺杂体系中Eu2+振动频率与其它掺杂离子格位取代间的相关性.     

Cr掺杂对中孔MgF2酸性及孔结构的影响

采用共沉淀法制备了MgF2,CrF3与不同Cr含量的Cr(x)-MgF2样品,采用X射线粉末衍射、N2物理吸附-脱附、透射电镜、吡啶吸附的傅里叶变换红外光谱和NH3程序升温脱附等手段对样品的晶相结构、孔结构及表面性质进行了表征,并运用CHClF2的歧化反应评价了它们的催化活性.结果发现,Cr物种以无定形的形式掺杂在MgF2中,抑制了其晶粒的长大,使得MgF2的比表面积增加,孔径减小,并增强了其表面酸性.Cr掺杂的MgF2在CHClF2的歧化反应中具有优异的催化性能.     

Cu∶CdS纳米晶的绿色合成、结构及光谱性质研究

本文利用一种绿色合成工艺,采用巯基乙酸作为配体,在水溶液中成功合成了水溶性的Cu∶CdS纳米晶。利用X射线衍射分析(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、场发射扫描电镜显微分析(FE-SEM)、能量色散X射线谱(EDX)、紫外可见(UV-Vis)吸收光谱对样品的晶体学性质、结构、形貌、成分、吸收光谱性质进行了系统的研究。着重研究了掺杂浓度对Cu∶CdS纳米晶的晶体学性质及吸收光谱的影响。结果表明:合成的Cu∶CdS纳米晶为立方相,通过谢乐公式估算的平均晶粒尺寸约为2 nm;随着掺杂浓度的增加,产物的晶胞参数也逐渐增大,表明Cu离子已经掺入到CdS纳米晶中,该发现与EDX结果相吻合。FT-IR红外光谱发现,配体巯基乙酸成功包覆在纳米晶的表面。UV-vis吸收谱表明,掺杂后的Cu∶CdS纳米晶的吸收峰向长波长方向移动。这种红移主要是Cu离子在CdS纳米晶中的掺杂而形成电子能级跃迁所致。     

La和Cu掺杂对纳米TiO2光生电荷性质的影响及其与光催化活性的关系

采用溶胶-水热法制备了未掺杂的和分别掺杂1%(摩尔浓度)La的、Cu的及La和Cu共掺杂的纳米TiO₂, 并主要利用表面光电压谱(SPS)和光致发光光谱(PL)等技术考察了掺杂对纳米TiO₂表面光生电荷性质的影响, 也探讨了其性质与光催化活性的关系. 结果表明: La的掺杂能够抑制TiO₂相变, 同时其不仅促进TiO₂光生载流子分离, 而且丰富了束缚表面态. 但是Cu的掺杂却与La的作用相反. 这些解释了在光催化氧化降解罗丹明B过程中, La掺杂有利于TiO₂光催化活性的提高, 而Cu掺杂对光催化反应是不利的. 此外, La和Cu共掺杂并没有体现出协同效应.     

Y-Cu共掺杂ZnO电子结构与光学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波赝势法研究了本征ZnO、Y和Cu单掺杂ZnO、Y-Cu共掺杂ZnO的电子结构和光学性质. 计算结果表明, 在本文的掺杂浓度下, Y和Cu单掺杂可以提高ZnO的载流子浓度, 从而改善ZnO的导电性, Y-Cu共掺时ZnO半导体进入简并状态, 呈现金属性. Y 掺杂ZnO可以提高体系在紫外区域的吸收, 而Cu掺杂ZnO在可见光和近紫外区域发生吸收增强现象, 其中由于Y离子和Cu离子之间的协同效应, Y-Cu共掺杂ZnO时体系对可见光和近紫外区域的光子能量吸收大幅增加, 因此Y-Cu共掺杂ZnO可以用于制作光电感应器件.     

LSDA+U方法研究Ni掺杂CuO和Cu掺杂NiO的电子结构和反铁磁学性质

光催化分解水制H2和光催化还原CO2是解决能源危机和全球变暖的有效途径.但是,由于粉末光催化剂存在回收效率低的问题,因而光催化成本很高.而磁性光催化剂便于回收和重复利用,因此人们把目光转向具有磁性的非光催化剂材料,试图通过改性使得磁性材料具有合适的水分解或者还原CO2的氧化还原电位.同时,对具有光催化活性但是没有磁性的材料进行磁化改性可以得到新型的磁性光催化剂.本文通过对本身具有磁性的NiO材料进行Cu掺杂能带调整,使调整后的NiO具有合适的氧化还原电位;对本身具有良好光催化氧化还原电位的CuO材料进行Ni掺杂磁化调整,使磁化后的CuO既有良好的氧化还原电位又有磁性.最终两种材料经过掺杂变成磁性光催化材料,既有较好的光催化性能,又可高效回收,因此有望在光催化领域具有潜在的应用前景.LSDA(局域自旋密度近似)+U(有效库仑相关能)计算方法能够很好地给出磁矩和禁带宽度等电子结构性质.本文通过LSDA+U计算方法对具有磁性的宽禁带半导体材料NiO进行电子结构改性研究,希望通过降低其禁带宽度、调整其氧化还原电位使之对太阳光有响应.因其同时具有磁性便于回收,使得光催化分解水制H2和光催化还原CO2成本高的问题得到解决.对NiO的磁胞进行了Cu掺杂计算,结果发现Cu的掺杂几乎没有引起NiO空间结构的变化,这是因为Cu和Ni的离子半径相近.通过对电子结构的计算发现掺杂体系的禁带变窄,并且在禁带中间出现了两条杂质能级,该杂质能级是由掺杂原子Cu 3d态组成.杂质能级的出现能够降低光生载流子在带隙中的复合,从而提高光催化效率.计算结果同时表明,Cu掺杂的NiO系统具有一个1μB的净磁矩,即Cu的掺杂使得NiO显示出磁性,而Ni的磁矩在掺杂前后几乎保持不变,由纯相的1.67μB增加到掺杂体系中的1.70μB.由于CuO本身低指数(111)面和(011)面具有合适的分解水制H2和还原CO2的氧化还原电位,如果对CuO进行磁化改性,可以使光催化剂CuO同时带有磁性,便于回收再利用.本文对CuO磁胞进行了Ni的掺杂计算.结果表明,由于离子半径相近,Ni掺杂几乎没有引起CuO空间结构的变化.掺杂后的体系具有一个1.66μB的净磁矩,同时Ni的掺杂引起多个杂质能级出现,靠近价带的杂质能级由Cu 3d态组成,而在导带底位置出现的杂质能级主要由Ni 3d态组成.整个能带向高能级方向平移.     

Effect of Ag doping concentration on the electronic and optical properties of anatase TiO2: a DFT-based theoretical study

The electronic and optical properties of pure and Ag-doped anatase TiO₂ have been calculated by spin-polarized density functional theory. Ag-doped TiO₂ with different Ag doping concentrations ranging from 2.08 to 8.33 % was investigated, and the electronic and optical properties evaluated. Substitutional Ag doped at Ti sites introduced Ag 4d states just above the valence-band maximum, which may help in shifting visible-light excited electrons to the conduction band. Our results show that increasing the doping concentration will enhance visible-light absorption up to Ag doping concentration of 6.25 %; however, further increase of the doping concentration leads to a decrease in visible-light absorption. These results indicate the possibility of tailoring the band gap and optical absorption of TiO₂ doped with Ag by varying the doping concentration. The enhanced visible-light absorption for Ag-doped TiO₂ with doping concentration of 6.25 % may be due to the existence of widely distributed Ag 4d states above the valence-band maximum and the optimal doping concentration. Ag doping shifted the absorption edge of TiO₂ towards visible light, consistent with recent experimental results. Our calculation results provide a reasonable explanation for the experimental findings.     

Preparation and spectroscopic characterization of visible light sensitized N doped TiO2 (rutile)

Nitrogen doped TiO₂ represents one of the most promising material for photocatalitic degradation of environmental pollutants with visible light. However, at present, a great deal of activity is devoted to the anatase polymorph while few data about rutile are available. In the present paper we report an experimental characterization of N doped polycrystalline rutile TiO₂ prepared via sol-gel synthesis. Nitrogen doping does not affect the valence band to conduction band separation but, generates intra band gap localized states which are responsible of the on set of visible light absorption. The intra band gap states correspond to a nitrogen containing defect similar but not coincident with that recently reported for N doped anatase.     

Origins of hole doping and relevant optoelectronic properties of wide gap p-type semiconductor, LaCuOSe

LaCuOSe is a wide band gap (～2.8 eV) semiconductor with unique optoelectronic properties, including room-temperature stable excitons, high hole mobility ～8 cm(2)/(Vs), and the capability of high-density hole doping (up to 1.7 × 10(21) cm(-3) using Mg). Moreover, its carrier transport and doping behaviors exhibit nonconventional results, e.g., the hole concentration increases with decreasing temperature and the high hole doping does not correlate with other properties such as optical absorption. Herein, secondary ion mass spectroscopy and photoemission spectroscopy reveal that aliovalent ion substitution of Mg at the La site is not the main source of hole doping and the Fermi level does not shift even in heavily doped LaCuOSe:Mg. As the hole concentration increases, the subgap optical absorption becomes more intense, but the increase in intensity does not correlate quantitatively. Transmission electron microscopy indicates that planar defects composed of Cu and Se deficiencies are easily created in LaCuOSe. These observations can be explained via the existence of a degenerate low-mobility layer and formation of complex Cu and Se vacancy defects with the assistance of generalized gradient approximation band calculations.     

直流反应磁控溅射制备的Mo掺杂TiO2薄膜的光电特性

通过直流反应磁控溅射制备了不同Mo掺杂量的Mo-TiO2薄膜.用原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)仪、X射线光电子能谱(XPS)仪、紫外-可见(UV-Vis)分光光度计详细研究了Mo掺杂量对薄膜表面形貌、晶体结构、元素价态及吸收带边的影响.用瞬态光电流和循环伏安法考察了不同Mo含量ITO/Mo-TiO2电极的光电特性.结果表明:在TiO2薄膜中掺入的Mo以Mo6+和Mo5+两种价态存在;随着Mo掺杂量的增加,Mo-TiO2薄膜的晶粒尺寸逐渐减小,晶格畸变增大,吸收阈值显著红移;薄膜的禁带宽度先减小后增大,在Mo掺杂量为2.7%(n(Mo)/n(Ti))时禁带宽度最小;Mo掺杂量为0.9%的样品在氙灯下的光生电流最大,且随着所加阳极偏压的提高光生电流并未呈现出饱和的趋势.此后随着掺杂量的提高,薄膜的光生电流开始下降,当Mo掺杂量达到3.6%时,薄膜的光电流小于未掺杂的样品;说明适当浓度的Mo掺杂能够提高Mo-TiO2薄膜光电性能,光生电流最大可达未掺杂的2.4倍.     

g-C3N4碳位掺杂电学及光学性质的分析

使用第一性原理研究了C位掺杂的g-C₃N₄的电学性质和光学性质,掺杂原子为B、P、S. g-C₃N₄有C1位和C2 位两种对称位碳原子,其中在C1 位上的掺杂易于C2 位,掺杂体系也较C2 位稳定. 相比于磷和硫在g-C₃N₄上的掺杂,硼掺杂最易于进行. 掺杂后体系的晶体结构之间差别较大,这与掺杂原子的大小以及电负性有关. 由轨道布居分布可知,掺杂后的硼、磷、硫原子价电子发生了变化,表明掺杂原子发生了杂化,与相邻原子以强的共价键相连. 掺杂原子与被取代的碳原子之间的价电子差异导致了能带的增加. 在原来的体系中,掺杂后的体系出现了一条新的能带,因此导致实际带隙下降,表明了掺杂后的体系导电性能增强. 对纯g-C₃N₄及掺杂g-C₃N₄的光学性质分析表明,g-C₃N₄的光学吸收主要在紫外光区,掺杂磷和硫后对g-C₃N₄的光吸收波长范围无改变,掺杂硼后的g-C₃N₄光吸收不再局限于紫外光区,而且延伸至可见光区和红外光区,并在红外光区有很强的吸收,表明g-C₃N₄掺杂硼后能大大地提高光催化效率. 电子能量损失光谱和光导率谱以及介电常数都佐证了上述观点.     

Electronic Properties of Transition‐Metal‐Decorated Silicene

The electronic properties of 3d transition metal (TM)‐decorated silicene were investigated by using density functional calculations in an attempt to replace graphene in electronic applications, owing to its better compatibility with Si‐based technology. Among the ten types of TM‐doped silicene (TM–silicene) studied, Ti‐, Ni‐, and Zn‐doped silicene became semiconductors, whereas Co and Cu doping changed the substrate to a half‐metallic material. Interestingly, in cases of Ti‐ and Cu‐doped silicene, the measured band gaps turned out to be significantly larger than the previously reported band gap in silicene. The observed band‐gap openings at the Fermi level were induced by breaking the sublattice symmetry caused by two structural changes, that is, the Jahn–Teller distortion and protrusion of the TM atom. The present calculation of the band gap in TM–silicene suggests useful guidance for future experiments to fabricate various silicene‐based applications such as a field‐effect transistor, single‐spin electron source, and nonvolatile magnetic random‐access memory.