第一性原理计算绝缘体-金属转变临界掺杂浓度:Co重掺杂Si体系

基于密度泛函理论的第一性原理方法,本文旨在探索确定绝缘体-金属转变临界浓度的理论计算方法.以Co重掺杂Si为研究对象,构建并计算了10个Co不同掺杂浓度模型的晶体结构、杂质形成能及其电子性质.发现在Co掺杂Si体系的带隙中形成了杂质能级,杂质能级的位置和宽度随着Co浓度的增加呈线性变化.当Co掺杂浓度较高时杂质形成能逐渐稳定,且杂质能级穿过费米能级使体系表现出金属性.综合杂质形成能的变化趋势,以及杂质能级极小值与费米能级间的距离条件,可预测出发生绝缘体-金属转变的Co掺杂浓度为2.601Wingdings 2MC@10~(20) cm~(-3),与实验结果相一致.上述两条依据应用于S重掺杂Si体系和Se重掺杂Si体系同样成立.     

Al掺杂对Mg_2Si介电性质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势方法,计算了本征Mg_2Si和Al掺杂Mg_2Si的形成能、电子结构和介电函数.结果表明,Al掺杂Mg_2Si后,Al以替位杂质(Al替Mg位,即AlMg)或填隙杂质(Al位于晶胞间隙位,即Ali)的形式进入Mg_2Si晶格.费米能级进入导带,体系呈n型导电.掺杂后体系的介电函数的实部和虚部在低频时比未掺杂时均增大,主要是由于晶格中的施主杂质Al离子束缚着附近的过剩电子,在外加交变电场的作用下,束缚在Al离子周围的电子要克服一定的势垒不断地往复运动造成松弛极化和损耗.另外,掺杂体系相对于未掺杂体系,介电函数的虚部在0.5 eV附近出现了一个额外的介电峰,该峰主要是由电子从价带跃迁到Al杂质能级引起的.计算结果为Mg_2Si基光电子器件的设计和应用提供了理论依据.     

Ⅲ族元素掺杂对SnO2电子结构及电学性能的影响

采用密度泛函理论研究了Ⅲ族元素掺杂对SnO2电子结构及电学性能的影响.态密度分析结果表明,以替代位存在的Ⅲ族杂质均使SnO2的费米能级明显向低能态方向移动,使得价带顶不完全填满,因此在SnO2中均充当受主作用.部分态密度分析结果表明,相对于掺Al的SnO2,Ⅲ族元素中的Ga及In对费米能级附近态密度贡献较大,其主要贡献来自Ga3d态或In4d态,这预示着在SnO2中掺Ga或In能实现更好的p型掺杂效果.电离能计算结果进一步表明,在Al,Ga及In三种元素中,替位In有最小的电离能(0.06 eV),这说明其在SnO2中能形成最浅的受主能级,因而在同等掺杂情况下,可引入最高浓度的空穴,从而实现最佳的p型掺杂效果.     

Mn-N共掺p型ZnO的第一性原理计算

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法对ZnO(Mn,N)体系的晶格结构、形成能、态密度以及电荷密度进行了计算和理论研究.研究结果表明,Mn和N共掺杂ZnO体系具有更低的杂质形成能和更高的化学稳定性,更加适合p型掺杂.Mn和N以1:2的比例掺杂时,体系的形成能降低,体系更稳定;同时,体系中形成双受主能级缺陷,使得杂质固溶度增大,体系中载流子数增多,p型化特征更明显.此外,研究发现相比于N单掺杂ZnO体系,Mn和N原子共掺杂ZnO体系有更多的杂质态密度穿越费米能级,在导带与价带之间形成更宽的受主N 2p的杂质态,同时空穴有效质量变小.与Mn-N共掺杂体系相比,Mn-2N共掺杂体系的受主杂质在费米能级附近的态密度更加弥散,非局域化特征明显.因此,Mn-N共掺杂有望成为p型掺杂的更有效的手段.     

Al掺杂Mg_2Ge光电性质的第一性原理计算

应用密度泛函理论框架下的第一性原理超软赝势平面波方法系统地计算了不同Al掺杂浓度下Mg_2Ge的电子结构及光学性质.建立了四种Mg_(2-x)Al_xGe(x=0,0.125,0.25,0.5)的掺杂模型,计算结果表示Al掺杂后的Mg_2Ge,费米能级进入导带,呈现出n型导电特性,掺杂后本征Mg_2Ge费米能级附近的导带架构发生了改变,变为主要由Al的3p态电子、Ge的4s态电子和Mg的3s、3p态电子组成;静介电常数ε_1(0)和折射率n_0均增大;吸收光谱发生红移,吸收系数最大值略微减小;光电导率峰值在x=0.125时取得极大值;能量损失函数发生蓝移且x=0.125时蓝移现象最为明显.     

Cr掺杂ZnO纳米线的电子结构和磁性

采用自旋极化密度泛函理论系统研究了Cr掺杂ZnO纳米线的电学、磁学以及光学属性.计算结果显示,Cr原子沿[0001]方向替代ZnO纳米线中的Zn原子时体系一般呈现铁磁耦合,沿[1010]和[0110]方向替代Zn原子时体系呈现反铁磁耦合,且磁性耦合状态在费米能级附近出现了明显的自旋劈裂现象,发生了强烈的Cr 3d和O 2p杂化效应.自旋态密度计算结果显示,磁矩主要来源于Cr原子未成对3d态电子的贡献,磁矩的大小与Cr原子的电子排布有关.光学性质计算结果显示,Cr掺杂ZnO纳米线在远紫外和近紫外都具有明显的吸收峰,吸收峰发生了明显的红移.这些结果都表明Cr掺杂ZnO纳米线也许是一种很有前途的稀磁半导体材料. 关键词： ZnO 纳米线 第一性原理 磁性     

Ti和Al共掺杂ZnS的电子结构和光学性质

基于密度泛函理论的第一性原理研究Ti和Al单掺杂和(Ti,Al)共掺杂ZnS的能带结构、电子态密度分布、介电函数、光学吸收系数,分析了掺杂后电子结构与光学性质的变化.计算结果表明:掺杂后禁带中引入了新的杂质能级,费米能级进入导带.掺杂改变了ZnS晶体的导电特性,使它表现出金属特性,导电性能增强;与纯净ZnS相比,Ti单掺杂和(Ti,Al)共掺杂ZnS的吸收边均出现明显的红移,且在1.79eV左右出现了一个新峰;而Al单掺杂ZnS的吸收边则发生明显的蓝移,且不产生新的吸收峰.     

Ni掺杂浓度对硅纳米线光电性质的影响

利用基于密度泛函理论的第一性原理,对不同直径和浓度Ni掺杂硅纳米线的形成能、能带结构、态密度和光学性质进行了计算,结果表明：杂质Ni的形成能随硅纳米线直径的减小和掺杂浓度的降低而下降,这说明直径越大的硅纳米线掺杂越困难,杂质浓度越高的硅纳米线越不稳定. Ni掺杂在费米能级附近及带隙中引入杂质能级,其主要来自Ni的3d轨道,杂质能级扩展成杂质带,改变Ni的掺杂浓度可改变硅纳米线的带隙,改善其导电性. 另外,还发现掺杂浓度明显改变了硅纳米线的吸收强度和宽度.     

Ⅲ族元素掺杂对SnO2电子结构及电学性能的影响

采用密度泛函理论研究了Ⅲ族元素掺杂对SnO₂电子结构及电学性能的影响.态密度分析结果表明，以替代位存在的Ⅲ族杂质均使SnO₂的费米能级明显向低能态方向移动，使得价带顶不完全填满，因此在SnO₂中均充当受主作用.部分态密度分析结果表明，相对于掺Al的SnO₂，Ⅲ族元素中的Ga及In对费米能级附近态密度贡献较大，其主要贡献来自Ga3d态或In4d态，这预示着在SnO₂中掺Ga或In能实现更好的p型掺杂效果.电离能计算结果进一步表明，在Al，Ga及In三种元素中，替位In有最小的电离能(0.06 eV)，这说明其在SnO₂中能形成最浅的受主能级，因而在同等掺杂情况下，可引入最高浓度的空穴，从而实现最佳的p型掺杂效果. 关键词： 密度泛函理论 2')" href="#">SnO₂ Ⅲ族元素掺杂 电子结构     

La掺杂3C-SiC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计算方法,对未掺杂及稀土材料La掺杂3C-SiC的电子结构和光学性质进行理论计算.计算结果表明,La掺杂引起3C-SiC晶格体积增大,掺杂体系能量更小,掺杂体系的结构更稳定;未掺杂3C-SiC是直接带隙半导体,其禁带宽度为1.406 eV,La掺杂后带隙宽度下降为1.161 eV,La掺杂3C-SiC引入了3条杂质能级,能量较高的1条杂质能级与费米能级发生交叠,另外2条杂质能级都在费米能级以下价带顶之上,La掺杂引起3C-SiC吸收谱往低能区移动,未掺杂3C-SiC的静态介电常数为2.66,La掺杂引起静态介电常数增加为406.01,La掺杂3C-SiC是负介电半导体材料.     

First principles study of CuAlO_2 doping with S

We study the electronic properties of CuAlO2 doped with S by the first principles calculations and find that the band gap of CuAlO2 is reduced after the doping.At the same time,the effective masses are also reduced and the density of states could cross the Fermi level.These results show that the conductivity of CuAlO2 could be enhanced by doping the impurities of S,which needs to be further studied.     

Mg,Al掺杂对LiCoO2体系电子结构影响的第一原理研究

为了研究Mg ,Al掺杂对锂二次电池正极材料LiCoO2 体系的电子结构的影响 ,进而揭示Mg掺杂的LiCoO2 具有高电导率的机理 ,对Li(Co ,Al)O2 和Li(Co,Mg)O2 进行了基于密度泛函理论的第一原理研究 .通过对能带及态密度的分析 ,发现在Mg掺杂后价带出现电子态空穴 ,提高了电导 ,并且通过歧化效应 (disproportionation)改变了Co 3d电子在各能级的分布 ,而Al掺杂则没有这些作用 .O2 - 的离子性在掺杂后明显增强 .     

Mg,Al掺杂对LiCoO2体系电子结构影响的第一原理研究

为了研究Mg, Al掺杂对锂二次电池正极材料LiCoO₂体系的电子结构的影响，进而揭示Mg掺杂的LiCoO₂具有高电导率的机理，对Li(Co, Al)O₂和Li(Co, Mg)O₂进行了基于密度泛函理论的第一原理研究. 通过对能带及态密度的分析，发现在Mg掺杂后价带出现电子态空穴，提高了电导，并且通过歧化效应（disproportionation）改变了Co-3d电子在各能级的分布，而Al掺杂则没有这些作用. O关键词： 2')" href="#">LiCoO₂ 电子结构 第一原理 电导     

Influences of Al doping on the electronic structure of Mg(0001) and dissociation properties of H2

By using the density functional theory method, we systematically study the effects of the doping of an Al atom on the electronic structures of the Mg(0001) surface and on the dissociation behaviors of H₂ molecules. We find that for the Al-doped surfaces, the surface relaxation around the doping layer changes from expansion of a clean Mg(0001) surface to contraction, due to the redistribution of electrons. After doping, the work function is enlarged, and the electronic states around the Fermi energy have a major distribution around the doping layer. For the dissociation of H₂ molecules, we find that the energy barrier is enlarged for the doped surfaces. In particular, when the Al atom is doped at the first layer, the energy barrier is enlarged by 0.30 eV. For different doping lengths, however, the dissociation energy barrier decreases slowly to the value on a clean Mg(0001) surface when the doping layer is far away from the top surface. Our results well describe the electronic changes after Al doping for the Mg(0001) surface, and reveal some possible mechanisms for improving the resistance to corrosion of the Mg(0001) surface by doping of Al atoms.     

Mg-doped ZnO layer to enhance electron transporting for PbS quantum dot solar cells

In this work, the effect of Mg doping on the performance of PbS quantum dot (QD) solar cells (QDSCs) is investigated. To elucidate that, PbS QDSCs with pristine ZnO and Mg-doped ZnO (ZMO) as electron transporting layers (ETLs) are fabricated, respectively. The current density-voltage (J-V) measurements are performed. The results show that the cell efficiency of the device with ZMO as an ETL is 9.46%, which increases about 75% compared to that of the pristine ZnO based device (5.41%). Enhanced short current density (J_sc) and fill factor (FF) are observed. It is demonstrated that Mg doping could passivate the surface defects and suppress the carrier recombination in ZnO ETL, thus resulting in larger bandgap and higher Fermi level (E_F). The strategy of Mg-doped ZnO ETL provides a promising way for pushing solar cell performance to a high level.     

Mg掺杂对Li(Co,Al)O2电子结构影响的第一原理研究

基于密度泛函理论的第一原理赝势法，研究了Mg在Li(Co，Al)O2中掺杂前后的电子结构的变化.通过能带和态密度的分析,发现Mg掺杂后在价带中引入了电子空穴，同时价带展宽，这两个电子结构的显著变化是引起Li(Co，Al)O2导电率提高的主要机理.通过对Co3d电子态密度的分析发现，在二价Mg掺杂后，Li(Co，Al)O2中的Co价态升高，介于Co3+和Co4+之间.从能带计算出发，进一步定量给出了Co和O的平均价态的变化. 关键词： Li(Co Al)O2 电子结构 第一原理 电导     

Al掺杂浓度对CrSi2电子结构及光学性质的影响

采用基于第一性原理的赝势平面波方法,对不同Al掺杂浓度CrSi2的几何结构、能带结构、态密度和光学性质进行了计算和比较。几何结构和电子结构的计算表明:Al掺杂使得CrSi2的晶格常数a和b增大,c变化不大,晶格体积增大;Cr(Si1-xAlx)2仍然是间接带隙半导体,掺杂使得费米面向价带移动,且随着掺杂量的增大而更深地嵌入价带中,费米能级附近的电子态密度主要由Cr的3d态电子贡献。光学性质计算表明,随着掺杂量的增大,Cr(Si1-xAlx)2的静态介电常数、第一介电峰、折射率n0逐渐增大,平均反射效应减弱,表明Al掺杂有效增强了CrSi2对光的吸收,能够提高其光电转换效率。计算结果为CrSi2光电材料的应用和设计提供了理论指导。     

Al,Fe, Mg掺杂Li2MnSiO4的电子结构和电化学性能的第一性原理研究

硅酸锰锂作为锂离子电池正极材料因具有高的理论电容量而一直备受关注, 但其较低的导电率和较差的循环性能阻碍了进一步的发展. 采用第一性原理广义梯度近似GGA+U的方法, 研究了Al, Fe, Mg掺杂Li₂MnSiO₄的电子结构、 脱嵌锂电压和导电性. 研究发现, Al 掺杂的Li₂Mn_0.5Al_0.5SiO₄结构中载流子的数目增加, 电子自旋向上和向下的态密度均穿过费米能级, 呈现金属特性, 提高了体系的导电率. 脱锂Li_xMnSiO₄ (x=1, 0)结构中, 通过计算一次脱锂相结构的形成能得到Al掺杂的一次脱锂结构最稳定, 并且Al掺杂的脱锂相结构体积变化小, 有利于材料循环性能的提高, 同时第一个锂离子脱嵌电压与未掺杂时(4.2 V)相比降低到2.7 V. Fe掺杂降低了Li₂MnSiO₄的带隙, 第一个锂离子脱嵌电压降低到3.7 V. 研究表明, Al的掺杂效果优于Fe和Mg, 更利于硅酸锰锂电化学性质的提高.     

制备Al2O3/Cu复合材料中CuO-Al体系的化学反应

 对CuO-Al粉末预制块经不同温度下反应，测试其温度随时间的变化曲线，利用X射线衍射仪对其反应后的试样进行物相分析，得出产生热爆的反应温度及不同温度下的反应产物。 结果表明，CuO-Al体系反应随介质温度升高，可分为3个不同阶段，温度小于1 200 K，不发生化学反应；温度为1 200~1 473 K时CuO-Al体系发生部分化学反应，其产物为Cu₂O、CuAlO₂ 及Al₂O₃；温度高于1 473 K，CuO-Al体系发生化学反应，其产物为Cu和Al₂O₃，此阶段易出现热爆现象。     

不同浓度Mg掺杂单层Janus WSSe的第一性原理研究

二维Janus WSSe作为一种新型过渡金属硫族化合物(TMDs)材料由于其独特的面外非对称结构及众多新颖的物理特性,在自旋电子器件中具有巨大的应用潜力.本文基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,通过构建四种掺杂模型W_9-xMg_xS₉Se₉(x=0、1、2、3),分别计算了不同浓度Mg掺杂单层WSSe的电子结构和光学性质.结果表明：掺杂使得WSSe由直接带隙半导体变为间接带隙半导体,并且随着掺杂浓度的增加,带隙逐渐减小,费米能级穿过价带,使得掺杂体系变成P型半导体,当x=3时,掺杂体系呈现金属性.此外,掺杂体系的静态介电常数随着掺杂浓度的增加而变大,极化程度显著增强,介电函数虚部和光吸收峰都发生了红移,说明掺杂有利于可见光的吸收.并且,静态折射率随着掺杂浓度的增加而呈现上升趋势,同时消光系数的峰值也与Mg原子的掺杂浓度呈现正相关.