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。     

P和As掺杂Mn4Si7第一性原理计算

采用第一性原理计算方法,对本征Mn₄Si₇以及P和As掺杂的Mn₄Si₇的电子结构和光学性质进行计算解析。计算结果表明本征Mn₄Si₇是带隙值为0.810 eV的间接带隙半导体材料,P掺杂Mn₄Si₇的带隙值增大为0.839 eV,As掺杂Mn₄Si₇的带隙值减小为0.752 eV。掺杂使得Mn₄Si₇的能带结构和态密度向低能方向移动,同时使得介电函数的实数部分在低能区明显增大,虚数部分几乎全部区域增加且8 eV以后趋向于零。此外掺杂还增加了高能区的消光系数、吸收系数、反射系数以及光电导率,明显改善了Mn₄Si₇的光学性质。     

3 C-SiC表面电子结构及光学性质的第一性原理计算

采用第一性原理对3C-SiC块体和3C-SiC(111)、(110)和(100)三个表面的电子结构和光学性质进行理论计算.计算结果表明:3C-SiC块体是带隙为1.44 eV的G-M间接带隙半导体,3C-SiC(111)表面是带隙为2.05 eV的M-G间接带隙半导体,3C-SiC(110)表面形成带隙值为0.87 eV的直接带隙半导体;3C-SiC(100)表面转变为导体.由光学性质分析得到,与3C-SiC块体比较,3C-SiC(100)、(110)、(111)表面的介电函数,吸收谱,反射谱,能量损失函数等均出现红移.     

(La,Y)掺杂AlN的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平面波超软赝势方法对纯AlN、(La,Y)单掺杂以及La-Y共掺杂AlN 超胞进行几何结构优化,计算了稀土元素(La,Y)掺杂前后体系的能带结构、态密度和光学性质。结果表明:未掺杂的AlN是直接带隙半导体,带隙值为E_g=4.237 eV,在费米能级附近,态密度主要由Al-3p、N-2s电子轨道贡献电子,光吸收概率大,能量损失较大;掺杂后使得能带结构性质改变,带隙值降低,能带曲线变密集,总态密度整体下移;在光学性质中,稀土元素掺杂后均提高了静态介电常数、光吸收性能,增强了折射率和反射率,减小了电子吸收光子概率及能量损失;其中La-Y共掺体系变化得较为明显。     

Ce3+掺杂CsPbBr3纳米晶的制备与性能

采用热注入法制备Ce³⁺掺杂CsPbBr₃纳米晶,利用XRD、TEM、XPS、UV-Vis、PL、Time-resolved fluorescence spectroscopy、J-V曲线测试等对样品的晶体结构、微观形貌、化学组成、光吸收性能、发光性能、荧光寿命和荧光太阳能集光器(LSC)的光学效率进行表征。实验结果表明:采用热注入法成功制备出分散性良好、平均晶粒大小为12.26 nm的立方相Ce³⁺掺杂CsPbBr₃纳米晶。Ce³⁺掺杂CsPbBr₃纳米晶的光学带隙和荧光发射峰强度随着Ce/Pb摩尔比的增加呈现先增大后减小的变化趋势,当n(Ce)/n(Pb)=0.25时,光学带隙达到最大为2.416 eV,发光强度最强,荧光发射峰由纯CsPbBr₃纳米晶的515 nm蓝移到510 nm,Ce³⁺掺杂CsPbBr₃纳米晶的发光性能与稳定性均得到增强。Ce³⁺掺杂CsPbBr₃纳米晶与聚苯乙烯溶液制备复合薄膜型LSC器件的光学效率ηopt最高达到6.81%。     

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。     

生长气压对分子束外延β-Ga2O3薄膜特性的影响

本文采用分子束外延技术在具有6°斜切角的c面蓝宝石衬底上外延β-Ga₂O₃薄膜,系统研究了生长气压对薄膜特性的影响。X射线衍射谱和表面形貌分析表明,不同生长气压下所外延的薄膜表面平整,均具有(201)择优取向。并且,其结晶质量和生长速率均随生长气压增大而逐渐提高。通过X射线光电子能谱分析发现,生长气压增大使得氧空位的浓度大幅下降,高价态Ga比例增大,最终使得O/Ga原子数之比接近理想Ga₂O₃材料的化学计量比值。利用Tauc公式和乌尔巴赫带尾模型进行计算,结果表明随着生长气压的增大,样品的光学带隙由4.94 eV增加到5.00 eV,乌尔巴赫能量由0.47 eV下降到0.32 eV,证明了生长气压的增大有利于降低薄膜中的缺陷密度,提高薄膜晶体质量。     

ZnO晶体Al杂质与Zn间隙共存的复合缺陷研究

利用第一性原理,研究了ZnO晶体Al杂质与Zn间隙共存的复合缺陷(AlZnZni)电子结构和光学性质.计算结果显示,AlZnZni复合缺陷的形成能为-3.180 eV,较低的形成能表明这种缺陷容易形成;复合缺陷使ZnO晶体的能带整体下移,带隙减小,价带区域展宽;电子能带结构的变化对ZnO的光学性质在低能产生了重要影响,主要表现在:介电函数虚部往低能方向移动且强度显著增强,使得ZnO表现出简并半导体的特性;复合缺陷导致ZnO晶体光学吸收边缘产生了红移,可见光区的吸收系数增大,透过率降低.     

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。     

不同合成方法对LiMgPO4∶Dy发光性能的影响

分别采用高温固相法和溶胶凝胶法合成了LiMgPO₄和LiMgPO₄∶Dy,通过热重-差热热分析仪、X射线衍射仪、傅里叶红外光谱仪、场发射高倍扫描电镜、紫外可见分光光度计和荧光分光光度计研究了不同合成方法对LiMgPO₄∶Dy晶体结构、形貌和发光性能的影响。结果表明，溶胶凝胶法的最低合成温度为750℃且晶体中几乎不存在其他晶相，而高温固相法在950℃合成的晶体中仍然存在少量Mg₃(PO₄)₂晶相；相比于高温固相法，溶胶凝胶法合成的样品形貌比较规则；两种方法合成的样品在可见光区域光吸收能力差，而在紫外区域高温固相法合成的样品光吸收能力明显较高；高温固相法合成的LiMgPO₄∶Dy光学带隙范围为3.76～3.93 eV,溶胶凝胶法合成的LiMgPO₄∶Dy光学带隙范围为3.85～3.94 eV,合成方法对样品的光学带隙影响较小。LiMgPO₄∶Dy的最佳激发波长为350 nm,最强发射峰位于579...     

K、Ti掺杂Mg2Si电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用第一性原理方法,对本征Mg₂Si以及K和Ti掺杂Mg₂Si的几何结构、电子结构和光学性质进行计算分析。计算结果表明本征Mg₂Si是带隙值为0.290 eV的间接带隙半导体材料,K掺杂Mg₂Si后,Mg₂Si为p型半导体,电子跃迁方式由间接跃迁变为直接跃迁,Ti掺杂Mg₂Si后,Mg₂Si为n型半导体,仍然是间接带隙。K、Ti掺杂后的静介电常数ε₁(0)从20.52分别增大到53.55、69.25,使得掺杂体系对电荷的束缚能力增强。掺杂后,吸收谱和光电导率均发生红移现象,这有效扩大了对可见光的吸收范围,此外可见光区的吸收系数、反射系数以及光电导率都减小,导致透射能力增强,明显改善了Mg₂Si的光学性质。     

双轴应变对g-ZnO/WS2异质结电子结构及光学性质影响的第一性原理计算

单层g-ZnO由于吸收光谱宽而受到研究者关注,但载流子复合是单层g-ZnO作为光催化剂无法避免的问题,如何降低电子空穴对复合率,提高单层g-ZnO对可见光利用率成为值得研究的问题,搭建异质结并对其进行双轴应变是一种可行的办法。本文采用第一性原理方法,研究双轴应变对g-ZnO/WS₂异质结电子结构及光学性质的调控规律。结果表明:g-ZnO/WS₂异质结禁带宽度为1.646 eV,由于异质结体系内部产生内置电场,降低了其光生载流子的复合率,同时异质结光吸收带边拓展至可见光区域。对异质结实施应变后,除压缩应变(-2.5%)体系外,其余应变体系吸收带边均出现红移现象,并且红移程度和对电荷的束缚能力均随着应变的增加而增强。相比于未实施应变的体系,应变体系对光生电子载流子的阻碍作用更强,其光催化能力得到更大提高。以上结果说明搭建g-ZnO/WS₂异质结并对其进行双轴应变对异质结的电子结构及光学性质具有显著的调控作用,使其在窄禁带及红外、可见光半导体器件和光催化材料等领域具有应用价值。     

Nd掺杂Mg2Si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第一性原理赝势平面波方法,探究了未掺杂Mg₂Si以及Nd掺杂Mg₂Si的能带结构、态密度和光学性质。计算结果表明: Nd掺杂Mg₂Si后,Mg₂Si禁带宽度从0.290 eV降低到0 eV,导电性能提升;未掺杂的Mg₂Si,当光子能量大于0.9 eV时,才开始慢慢具备吸收能力,掺杂Nd之后的Mg₂Si对能量为0.2 eV的光子就开始吸收,大大改善了Mg₂Si对红外光电子的吸收。掺杂后的光吸收系数和反射率都变小,表明掺杂后的Mg₂Si对光的穿透率增大。计算结果为Mg₂Si材料在光电器件方面的应用提供了理论依据。     

P掺杂6H-SiC的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波法,计算未掺杂与P替换Si、C以及P间隙掺杂6H-SiC的电子结构与光学性质。结果显示未掺杂的6H-SiC是带隙为2.052 eV的间接带隙半导体,P替换Si、C掺杂以及P间隙掺杂6H-SiC带隙均减小,分别为1.787 eV、1.446 eV和0.075 eV,其中P间隙掺杂带隙减小幅度最大。P替换掺杂6H-SiC使得费米能级向导带移动并插入导带中,呈n型半导体。P间隙掺杂价带中的一条能级跨入费米能级,因此在禁带中出现一条P 3p杂质能级,P间隙掺杂6H-SiC转为p型半导体。替换与间隙掺杂使得6H-SiC的介电函数实部增大,介电函数虚部、吸收光谱、反射光谱与光电导率红移,其中P间隙掺杂效果最佳。通过P掺杂材料的电导率增强,对红外波段的利用率明显提高,为6H-SiC在红外光电性能方面的应用提供有效的理论依据。