二维Janus型铬硫化物电子和压电性质研究

本文主要研究了二维Janus型铬硫化物[Janus CrXY (X/Y=S, Se, Te)]的电子、压电性质。结果表明Janus CrXY是优良的半导体材料,其带隙宽度为0.27～0.83 eV,x轴方向的应变调控对带隙影响较大,而z轴方向的应变调控对带隙影响很小,说明该体系电子特性在z轴方向具有良好的稳定性。通过密度泛函微扰法对体系的压电特性进行研究,结果表明,三种材料均具有较大的面外压电系数d₃₃,特别是CrSeTe的d₃₃可达56.89 pm/V,约是常用压电材料AlN(d₃₃=5.60 pm/V)的10倍。本研究可为二维Janus CrXY在柔性智能纳米领域的实际应用提供理论支撑。     

Janus二维双层MoSSe/WSSe异质结光电性质的第一性原理研究

通过第一性原理计算研究了四种二维双层MoSSe/WSSe范德瓦耳斯异质结的光电性质。声子谱表明四种结构具有可靠的热力学稳定性。根据堆垛方式的不同,双层MoSSe/WSSe异质结可以是间接或直接半导体。而且,两种Janus型MoSSe/WSSe异质结具有1.22和1.88 eV的适中带隙、显著的可见光吸收系数、跨越了水氧化还原电位的带边位置。因此,Janus型的MoSSe/WSSe异质结构在光催化水分解领域具有一定的应用前景。     

第一性原理研究二维GaN的电子结构和光学性能

二维GaN是一种性能优良的半导体光电材料,用途广泛.因此,基于密度泛函理论采用广义梯度近似方法系统研究单层、双层和三层二维GaN的电子结构和光学性质,并与三维GaN体材料进行比较.结果表明:随着维数的降低,二维GaN的能带变宽,各能级的能量值起伏变大;不同于三维GaN,二维GaN量子尺寸效应明显,N的2s态和2p态相互作用增强,出现能带重叠,呈现较好的导电特性;分析费米能级发现导带底附近存在明显表面态,这是因为Ga的4s电子态的贡献;随着二维GaN层数的增加,对紫外光的反射特性越来越好,在特定的能量范围内,二维GaN的能量损失为零.由此可知,研究二维GaN的电子结构和光学性质有助于二维GaN在纳米光电器件中的应用.     

基于第一性原理的二维g-AlN材料p型掺杂研究

半导体材料通过掺杂实现n型和p型载流子导电在半导体器件领域具有重要意义,理论上可通过计算电荷转移能级和缺陷形成能来探索半导体材料的n型和p型掺杂效率。基于第一性原理,结合二维带电缺陷计算方法,类石墨烯氮化铝(graphene-like AlN, g-AlN)中的四种(Be_Al,Mg_Al,Ca_Al,Sr_Al)潜在p型掺杂缺陷的结构、磁学、电学和缺陷形成能及转移能级被系统地计算。结果表明,所有缺陷体系均表现为深受主能级特性,很难为二维g-AlN提供p型载流子,它们反而会捕获g-AlN中的空穴,从而严重影响二维g-AlN材料的空穴导电率。Be_Al在整个电子化学势范围内具有最小的形成能,因此更加容易掺入到g-AlN中,影响g-AlN材料的p型掺杂效率。     

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。     

非金属元素(F,S,Se,Te)掺杂对ZnO/graphene肖特基界面电荷及肖特基调控的理论研究

本文基于第一性原理系统研究了非金属元素F、S、Se、Te掺杂对ZnO/graphene异质结界面相互作用及其电子结构的影响。结果表明,ZnO/graphene异质结层间以范德瓦耳斯力结合形成了稳定的异质结,并且形成了n型肖特基势垒。差分电荷密度图表明graphene层的电子向ZnO层转移,使得graphene层表面带正电,ZnO层表面带负电,在界面处形成了内建电场。当掺入F原子时,异质结呈现欧姆接触;当掺入S、Se、Te原子时,异质结肖特基的接触类型均由n型转变为p型,且有效降低了肖特基势垒的高度,特别是Te原子掺入后,p型肖特基势垒高度降低至0.48 eV,提升了电子的注入效率。本文的研究结果将对相关的场效应晶体管的设计和制造提供一定的参考。     

二维BN材料中n型掺杂探索:基于第一性原理的带电缺陷计算

半导体材料的有效掺杂可为半导体器件的成功应用提供保障。理论上,通过计算缺陷形成能和电荷转移能级可以预测掺杂的难易性以及缺陷能级的深浅性。基于密度泛函理论,结合二维带电缺陷计算方法,系统计算二维BN材料中四种(C_B,Si_B,Ge_B,Sn_B)潜在n型掺杂体系的缺陷性质。结果表明,C_B(Sn_B)体系最稳定价态为+1价(-1价)和0价,而Si_B,Ge_B体系最稳定价态为+1价,0价和-1价,C_B,Si_B与Ge_B体系相应的施主离子化能为2.00 eV,3.57 eV和4.06 eV,均表现为深能级施主,很难为BN提供n型载流子。另外,C_B体系在宿主BN为p型掺杂时+1价态具有负形成能,将会严重降低BN p型掺杂效率及空穴导电率。该研究结果可为实验上对二维BN进行掺杂尝试提供理论依据。     

新型二维铜族硫族化合物的研究进展

二维材料因其纳米级尺寸、超凡的电子特性、出色的机械性能等,被视为下一代信息器件的理想材料。随着外延生长等自下而上制备方法以及材料计算方法的发展和提高,越来越多的体相非层状的二维材料被制备和发现。近年来在信息器件等领域具有应用潜力的体相非层状的二维铜族(11族)硫族化合物得到广泛关注,铜族元素位于化学元素周期表中的11族,主要包括铜、银和金等元素。本文综述了二维铜族硫族化合物的研究进展,以化学计量比为主线,将二维铜族硫族化合物分为MX单层(M=Cu,Ag,Au;X=O,S,Se,Te)、M₂X单层以及其他化学计量比的铜族硫族化合物单层。从实验合成和理论模拟两个角度出发,对二维铜族硫族化合物原子结构、能带结构、电学特性等进行介绍。从现有的报道来看,体相非层状的新型二维铜族硫族化合物不仅包含半导体、金属等电子性质,还表现出拓扑、磁性等丰富的新奇物性,是一类值得关注的新型二维功能材料。     

具有大磁各向异性和高居里温度的二维笼目磁性材料Fe3As

最近,对二维铁磁材料的研究已成为自旋电子器件领域的热点。本文通过自旋极化密度泛函理论计算,设计出一种新型的二维材料Fe₃As,其居里温度(T_c)为300 K,可达到室温。预测的二维Fe₃As具有很强的面内Fe—Fe耦合,其大的磁各向异性能量(MAE)大约为366.7μeV,有助于材料维持长程铁磁序。这种二维Fe₃As的能带同时具有平带和狄拉克点的特征。值得注意的是,平带的位置与磁耦合的强度正相关。此外,在双轴应变的作用下,随着平带和费米面之间的距离不断减小,T_c也在逐渐升高。因此,Fe₃As单层有望成为二维室温自旋电子学器件的一种有前途的候选材料。     

MI3(M=Bi,Sb,As)弹性和电子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平面波赝势计算方法,对比研究了菱方结构MI3(M=Bi,Sb,As)的弹性和电子性质.结果表明:SbI3的生成焓最低,较BiI3、AsI3更易生成.这三种材料都体现了弹性各向异性特征.SbI3是偏延性材料,BiI3和AsI3是脆性材料.高压下AsI3更容易被压缩.德拜温度的大小关系依次为SbI3>BiI3>AsI3.MI3(M=Bi,Sb,As)都是间接带隙半导体,电子的局域程度较强.在费米能级附近,I-5p轨道电子和金属M-s轨道电子发生杂化,形成共价键.MI3(M=Bi,Sb,As)中的化学键是共价键和离子键的混合.     

钙钛矿型氧化物BaBO3-δ （B=Fe、Co、Nb）电子结构和氧空位形成能的第一性原理研究

基于第一性原理的密度泛函理论,分别对钙钛矿型氧化物BaFeO3、BaCoO3和BaNbO3的电子结构和氧空位形成能进行了理论模拟,经优化后得到的晶胞参数与实验文献值吻合良好。通过比较密度泛函理论计算得到的晶格能和氧空位形成能,发现体系稳定性表现为BaCoO3相似文献   

理论研究菱形结构ZnXO3(X=Ge,Sn和Pb)的力学性质

采用第一性原理的方法计算了菱形结构ZnXO3(X=Ge,Sn和Pb)的弹性系数,进一步研究了材料的力学性质,包括计算其力学稳定性,体模量B,剪切模量G,杨氏模量E,泊松比v和硬度等的力学参数.计算结果显示,菱形结构ZnXO3(X=Ge,Sn和Pb)均满足力学稳定条件;ZnGeO3的抗形变能力最强,硬度和刚度最大,但延展性较差;ZnPbO3的抗形变能力最弱,硬度和刚度最小,但具有较好的延展性.另外,计算了材料的力学各向异性系数,结果表明ZnPbO3的力学各向异性效果较为明显.Bader电荷计算结果表明Ge-O,Sn-O和Pb-O主要形成离子键和部分共价键,同时Ge-O键的离子键和共价键的比例介于Sn-O键和Pb-O键之间,与元素的电负性关系吻合.Ge-O,Sn-O和Pb-O键长依次变大,相互作用逐渐减弱,力学性能相应地降低.本文的研究结果可以对菱形结构ZnXO3在相关力学方面的应用提供重要的参考依据.     

(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。     

六方Fe2Ge合金块体及其(001)表面电子结构和磁性的第一性原理

采用基于密度泛函理论第一性原理的赝势平面波方法,计算了块体Fe₂Ge及其(001)表面的电子结构和磁性。考虑了两种类型的终端(001)表面:Ge(Ⅰ)-(001)表面和Ge(Ⅱ)-(001)表面。电子结构方面,不同类型的Fe₂Ge(001)表面都表现出金属特性,这与块体的金属性保持一致。通过计算它们的自旋极化率,得出Ge(Ⅰ)-(001)表面的自旋极化程度最高。磁性方面,在块体和Ge(Ⅱ)-(001)表面的Ge原子是铁磁自旋有序的,而在Ge(Ⅰ)-(001)表面第一层的Ge原子是亚铁磁自旋有序的。此外,Ge(Ⅱ)-(001)表面Ge原子的自旋磁矩优于块体中和Ge(Ⅰ)-(001)表面Ge原子的自旋磁矩。这些结果与Fe的d态和Ge的p态电子的杂化有关,本文中通过分析它们的态密度进行了讨论。     

夹心双核茂合物Cp2TM2(TM=Zn/Cu/Ni)电子结构和储氢性能的第一性原理研究

使用基于密度泛函理论(DFT)的DMOL3程序包,研究了双金属茂合物Cp2TM2 (TM=Zn/Cu/Ni)的几何结构、电子结构和储氢性能.结果表明:不同夹心原子对体系几何结构的影响微弱;Zn/Cu/Ni茂合物的电子局域态密度(LDOS)在费米能级(EF)处起主要作用的是d轨道电子;随夹心原子Zn/Cu/Ni原子序数的降低,其茂合物最低非占据轨道和最高占据轨道的差值(LUMO-HOMO)逐渐降低.Zn/Cu/Ni茂合物均可吸附8个H2分子,其平均吸附能分别为0.802 eV/H2(Cp2Zn2)、0.422 eV/H2(Cp2Cu2)和0.182 eV/H2(Cp2Ni2),储氢容量分别达到6.2wt;(Cp2Zn2)、6.3wt; (Cp2Cu2)和6.5wt; (Cp2Ni2).     

(AlxGa1-x)2O3结构、电子和光学性质的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了不同Al掺杂浓度β-Ga₂O₃(即(Al_xGa_1-x)₂O₃)的晶体结构、电荷密度分布、能带结构、态密度和光学性质,并对本征β-Ga₂O₃和不同Al掺杂浓度的β-Ga₂O₃的计算结果进行了分析对比。结果表明,随着Al掺杂浓度的增加,(Al_xGa_1-x)₂O₃的晶格常数和键长均单调减小,而带隙逐渐增大。β-Ga₂O₃导带底上方存在主要由Ga 4s和Al 3p轨道组成的中间带,Al掺杂在此中间带引入杂质能级,从而导致带隙增加。同时,Al的引入使态密度向高能侧偏移了近3 eV,也导致了带隙的增加。根据光学性质的计算结果,在掺杂Al后,介电函数的虚部和吸收系数均观察到明显的蓝移现象。这是由价带顶中的O 2p...     

In原子替位位置对新型正交GaN影响的第一性原理研究

铟(In)原子替位位置对开发新型正交GaN的储氢材料具有重要意义。当前关于In原子替位位置对正交GaN材料的影响研究相对薄弱。本文基于第一性原理研究了不同In原子替位位置下InGaN材料的形成能、电子结构、弹性特性和力学稳定性。结果表明,通常情况下间隔三个原子的In原子替位位置的形成能最小且该体系最易形成。在相同的掺杂情况下,该结构的InGaN材料也具有较大的带隙宽度以及较小的弹性模量、体积模量、剪切模量与弹性模量,这意味着其抗压能力、抗剪切应力的能力较弱,韧性以及硬度较低。此外,声子谱计算结果表明,间隔三个原子的InGaN材料在环境压力下也具有良好的力学稳定性。本研究为正交GaN的新型储氢超材料的研究提供了理论依据。     

π桥(π=Py、Tz、THF)对聚吡咯并吡咯二酮-联噻吩光电性能影响的第一性原理研究

本文在聚吡咯并吡咯二酮-联噻吩(PDPP-2T,P1)的基础上,分别选取了吡啶(Py)、噻唑(Tz)、呋喃(THF)三种基团构造D-π-A共聚物P2、P3、P4,并通过密度泛函(DFT)第一性原理计算了四种聚合物的光电性质。计算结果表明,引入π桥后,能带曲率变大,有利于提升共聚物导电性,但带隙均增大;光吸收峰的短波吸收峰均发生红移,P2与P4的长波峰发生蓝移,而P3的长波峰变化不大,且长波吸收峰的强度均减弱。并用Bader电荷分析研究了三种π桥对D、A单元之间的电荷转移量的影响,发现引入π桥后,P2、P3电荷转移量减少,P4略微增加;且π桥在共聚物中既可以是得电子单元,又可以是失电子单元,表明引入π桥对D/A共聚物的电荷传输有一定影响。总之,用引入π桥的方法来提升共聚物的光电性质是一个需综合考虑的问题。     

石墨烯及石墨烯/氮化硼的电子结构特性研究

化学气相沉积法生长的单层石墨烯具有卓越的力学、热学和电学特性,成为新一代纳米器件的首选材料。对石墨烯电子特性的理论研究有利于推动纳米器件的发展与应用。本文基于密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的方法,系统地研究了石墨烯及石墨烯/氮化硼的电子结构特性。结果表明,在高对称K点,带隙为零。在50~400 K范围内,由于费米面的电声子散射作用,单层石墨烯的迁移率随着温度增加呈现显著下降趋势。此外,通过对不同层间距的石墨烯/氮化硼结构的能带、态密度、电子密度等特性分析,发现随着层间距增加,能带间隙减小,导带与价带间的能量差减小。随着原子个数的增加,石墨烯/氮化硼超胞结构与原胞结构的带隙开度变化规律一致,这对石墨烯基器件的结构设计具有一定的指导意义。     

GeS/MoS2异质结电子结构及光学性能的第一性原理研究

以MoS₂、GeS为代表的二维层状材料在光学、电学等方面表现出优异的物理性能。如何将两者的优良性能结合,同时获得具有新的协同功能的复合材料对电子器件的发展和应用具有重要意义。本文采用密度泛函理论的第一性原理计算方法,对GeS/MoS₂异质结的电子结构及光学性质进行了系统研究,并探索了界面间距、应变和电场对异质结电子结构和光学性能的影响。研究结果表明,GeS/MoS₂异质结是Ⅱ型能带排列,该能带排列有利于光生电子-空穴对的分离。进一步研究发现,通过应变和电场等手段可以实现对GeS/MoS₂异质结能带排列及光吸收系数的有效调控。该研究结果表明GeS/MoS₂异质结在光催化、光电器件等领域具有潜在的应用,为设计与制备GeS/MoS₂相关的光电器件提供了理论指导。