第一性原理方法研究N-Pr共掺杂ZnO的电子结构和光学性质

作为一种稳定性好、抗辐射能力强、原材料丰富的宽禁带半导体, ZnO在光催化的研究领域中成为热点材料,但是其仅能吸收可见光中的紫光,因此如何扩大ZnO对可见光的响应范围是一个值得研究的问题.掺杂改性是解决这个问题的常用方法.基于以上考量,本文应用第一性原理计算方法研究了N与Pr掺杂对ZnO的电子结构和光学性质的影响.研究结果表明:共掺体系比单掺体系更容易形成,且共掺体系的稳定性随Pr浓度的增加先增强后变弱;同一体系的最短Zn—O键与最长Zn—O键的布居数比例随杂质浓度的增大先增大后减小,说明杂质的掺入对体系的晶格畸变有很大的影响,有利于光生空穴-电子对的分离,从而提高材料的光催化活性. N 2p态与Pr 4f态发生杂化对晶体的完整性产生了破坏,在杂质原子周围形成晶场,造成能级劈裂,带隙减小;介电函数虚部的主峰位均向低能区域移动,吸收光谱中各掺杂体系发生红移,各共掺体系随着杂质原子Pr浓度的增加,在可见光区的响应范围依次扩大,吸收能力也依次增加,说明N与Pr的共掺杂对提高ZnO的光催化性是有利的.     

高压下AlN的电子结构和光学性质

运用密度泛函理论体系下的平面波赝势(PWP)和广义梯度近似(GGA)方法,利用第一性原理计算了不同压强下六方纤锌矿结构AlN晶体的晶格常数、总能量、电子态密度、能带结构、光反射系数与吸收系数。通过比较能带结构的变化行为,得出 AlN在16.7Gpa附近存在等结构相变,即由直接带隙结构转变为间接带隙结构。同时,结合高压下的态密度分布图和能级移动情况,分析了AlN在高压下的光学性质,吸收谱有向高能端移动(蓝移) 的趋势。     

高压下AlN的电子结构和光学性质

运用密度泛函理论体系下的平面波赝势(PWP)和广义梯度近似(GGA)方法,利用第一性原理计算了不同压强下六方纤锌矿结构AlN晶体的晶格常数、总能量、电子态密度、能带结构、光反射系数与吸收系数。通过比较能带结构的变化行为,得出 AlN在16.7Gpa附近存在等结构相变,即由直接带隙结构转变为间接带隙结构。同时,结合高压下的态密度分布图和能级移动情况,分析了AlN在高压下的光学性质,吸收谱有向高能端移动(蓝移) 的趋势。     

Mg, Sr掺杂CaF2电子结构及光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法对纯CaF2晶体和Mg、Sr掺杂CaF2体系的晶体结构、电学以及光学性质进行了详细的对比研究, 结果表明: 与纯CaF2晶体相比, 掺杂体系的带隙变窄且形成新的态密度峰, 费米面附近出现F与Mg、Sr原子间轨道杂化加强现象. 另外, 掺杂体系仅表现出介电性质, 其对紫外光的吸收强度大大减弱, 而Ca7SrF16掺杂体系在25.44 eV处产生新的小吸收峰. CaF2晶体掺入Mg、Sr原子后, 体系在紫外光区的消光系数减小且对紫外光的透过率增大. 此外, 掺杂体系的反射谱峰和损失函数峰均发生红移且峰值显著降低.     

Mg, Sr掺杂CaF2电子结构及光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法对纯CaF2晶体和Mg、Sr掺杂CaF2体系的晶体结构、电学以及光学性质进行了详细的对比研究, 结果表明: 与纯CaF2晶体相比, 掺杂体系的带隙变窄且形成新的态密度峰, 费米面附近出现F与Mg、Sr原子间轨道杂化加强现象. 另外, 掺杂体系仅表现出介电性质, 其对紫外光的吸收强度大大减弱, 而Ca7SrF16掺杂体系在25.44 eV处产生新的小吸收峰. CaF2晶体掺入Mg、Sr原子后, 体系在紫外光区的消光系数减小且对紫外光的透过率增大. 此外, 掺杂体系的反射谱峰和损失函数峰均发生红移且峰值显著降低.     

N、C共掺杂锐钛矿相TiO2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,研究了N和C原子分别单掺杂和双掺杂锐钛矿TiO2的形成能、晶体结构、电子结构和光学性质。计算结果表明：原子替位掺杂后体系晶格发生畸变;C替位掺杂更倾向于替代Ti位,而非O位;替位掺杂使TiO2光吸收带边发生了明显红移,且在可见光区域的吸收效率明显增加,大大提高了光催化效率。与单掺杂比较发现,N、C双掺杂红移现象更加明显,为较好的掺杂改性方式。     

N、C共掺杂锐钛矿相TiO2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,研究了N和C原子分别单掺杂和双掺杂锐钛矿TiO2的形成能、晶体结构、电子结构和光学性质。计算结果表明：原子替位掺杂后体系晶格发生畸变;C替位掺杂更倾向于替代Ti位,而非O位;替位掺杂使TiO2光吸收带边发生了明显红移,且在可见光区域的吸收效率明显增加,大大提高了光催化效率。与单掺杂比较发现,N、C双掺杂红移现象更加明显,为较好的掺杂改性方式。     

ZnTe结构相变、电子结构和光学性质的研究

运用密度泛函理论体系下的投影缀加波方法, 对闪锌矿和朱砂相结构的ZnTe在高压下的状态方程和结构相变进行了研究, 并分析了相变前后的原胞体积、电子结构和光学性质. 结果表明: 闪锌矿结构转变为朱砂相结构的相变压力为8.6 GPa, 并没有出现类似材料高压导致的金属化现象, 而是表现出间接带隙半导体特性. 相变后, 朱砂相结构Zn和Te原子态密度分布均向低能级方向移动, 带隙变小; 轨道杂化增强, 更有利于Te 5p与Zn 3d间的电子跃迁, 介电常数虚部主峰明显增强, 但宏观介电常数不受压力的影响.     

Ag-S共掺杂AlN电子结构和光学性质的第一性原理研究

用第一性原理平面波赝势方法对纯AlN和Ag-S共掺杂AlN的结合能、电子结构和光学性质进行计算分析.结果表明：施主杂质S原子的引入可以有效增加受主杂质Ag原子在AlN中的掺杂浓度,降低受主能级,对受主Ag原子起到了激活的作用,Ag-S共掺杂有助于实现高效的p型AlN.体系掺杂后的介电函数虚部和光吸收谱分别在低能区出现新的峰,其吸收边向低能方向偏移,增强了体系对低频电磁波的吸收.     

Zn,Cd掺杂AlN电子结构的第一性原理计算

基于密度泛函理论(DFT)框架下的第一性原理的平面波超软赝势方法(USPP),对Zn,Cd掺杂AlN的32原子超原胞体系进行了几何结构优化,从理论上给出了掺杂和非掺杂体系的晶体结构参数。计算了掺杂AlN晶体的结合能、电子态密度、差分电荷密度,并对计算结果进行了细致的分析。计算结果表明,Cd、Zn都可以提供很多的空穴态,是良好的p型掺杂剂,但是相对于Cd, Zn原子在AlN晶体中的溶解度更大,并且可以提供更多的空穴,有利于形成更好的p型电导。     

C与Na掺杂AlN电子结构与光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)的平面波超软赝势法,计算了本征AlN,C-AlN,Na-AlN以及C-Na-AlN四种体系的电子结构和光学性质.得出结论：掺杂后各体系与本征AlN相比发生了晶格畸变,C-Na-AlN体系的结合能最小,体系最稳定.掺杂体系相比于本征AlN,禁带宽度都有不同程度的减小,导致电子在体系内跃迁时的概率增大,其中C-Na-AlN体系尤为明显,电子跃迁所需要的能量更小.掺杂后吸收带边发生了红移,拓宽了AlN体系对光的响应范围,增强了光吸收,并且C-Na-AlN体系在可见光区域内光吸收能力最强,在介电函数图的分析中可以得到,C-Na-AlN体系的介电常数最大,表明其电荷束缚能力最强,体系稳定性强,极化能力最好.     

First principles study of electronic and optical properties of InAs

The electronic and optical properties of InAs in core-level spectra are calculated using the full-potential linearized augmented plane wave plus local orbitials (FP-LAPW +lo) method. The real and imaginary parts of the dielectric function ε(ω), the optical absorption coefficient I(ω), the reflectivity R(ω), the refractive index n(ω), and the extinction coefficient k(ω)are calculated. All these values are in good agreement with the experimental data. The effect of spin-orbit coupling on optical properties is also investigated and found to be quite small.      

First-principles study of the electronic and optical properties of ZnO nanowires

The geometric, energetic, electronic structures and optical properties of ZnO nanowires (NWs) with hexagonal cross sections are investigated by using the first-principles calculation of plane wave ultra-soft pseudo-potential technology based on the density functional theory (DFT). The calculated results reveal that the initial Zn-O double layers merge into single layers after structural relaxations, the band gap and binding energies decrease with the increase of the ZnO nanowire size. Those properties show great dimension and size dependence. It is also found that the dielectric functions of ZnO NWs have different peaks with respect to light polarization, and the peaks of ZnO NWs exhibit a significant blueshift in comparison with those of bulk ZnO. Our results gives some reference to the thorough understanding of optical properties of ZnO, and also enables more precise monitoring and controlling during the growth of ZnO materials to be possible.     

空位浓度对纤锌矿BN电子结构和光学性质影响的第一性原理研究

本文采用了第一性原理研究了空位缺陷纤锌矿BN的电子结构和光学性质.通过对能带结构、态密度分析发现：缺陷体系由于B、N的缺失,费米能级附近出现杂质能级.相较于本征体系,随着空位浓度增加,杂质能级变多,跃迁能量减小. N空位缺陷的纤锌矿BN态密度总体向低能区移动,且能级相较于B空位缺陷的纤锌矿BN明显增多.从复介电函数和光学吸收谱分析中发现,随着空位浓度的增加,缺陷体系纤锌矿BN在可见光区域的吸收逐渐增强.尤其是B₂₂N₂₄在可见光区域出现的吸收效果更好.     

First-principles study of the electronic structure and optical properties of cubic Perovskite NaMgF_3

The structural, electronic, and optical properties of cubic perovskite NaMgF3 are calculated by plane-wave pseudopo- tential density functional theory. The calculated lattice constant a0, bulk modulus B0, and the derivative of bulk modulus B~ are 3.872/~, 78.2 GPa, and 3.97, respectively. The results are in good agreement with the available experimental and theo- retical values. The electronic structure shows that cubic NaMgF3 is an indirect insulator with a wide forbidden band gap of Eg = 5.90 eV. The contribution of the different bands is analyzed by total and partial density of states curves. Population analysis of NaMgF3 indicates that there is strong ionic bonding in the MgF2 unit, and a mixture of ionic and weak covalent bonding in the NaF unit. Calculations of dielectric function, absorption coefficient, refractive index, electronic energy loss spectroscopy, optical reflectivity, and conductivity are also performed in the energy range 0 to 70 eV.     

(Nb,N)共掺杂锐钛矿电子结构和光学性质的第一性原理研究

二氧化钛（TiO₂）作为一种性能优良的光催化剂已经受到越来越多的关注.本研究采用密度泛函理论的第一性原理和广义梯度近似+U方法,对锐钛矿结构TiO₂晶体三种可能的（Nb,N）共掺杂TiO₂的几何结构、形成能、能带结构、电子密度和光吸收系数进行了研究,并与单掺杂（Nb/N）体系进行了对比.对掺杂后体系的几何结构进行的计算表明杂质原子掺入后晶格发生了不同程度的畸变.此外,（Nb,N）共掺杂体系与纯TiO₂相比,其禁带宽度和吸收边较小.同时,与N掺杂TiO₂相比,N的2p态在共掺杂情形下变为完全占据,从而减少了电子空穴对的复合.而且共掺杂体系的形成能比N单掺杂体系低,因而更加稳定.因此,（Nb,N）共掺杂可以很好地提升锐钛矿型TiO₂在可见光波段的光催化性能.     

First-principles study of structural,electronic and optical properties of ZnF_2

The structural, electronic, and optical properties of rutile-, CaC12-, and PdF2-ZnF2 are calculated by the plane-wave pseudopotential method within the density functional theory. The calculated equilibrium lattice constants are in reasonable agreement with the available experimental and other calculated results. The band structures show that the rutile-, CaCl2-, and PdF2-ZnF2 are all direct band insulator. The band gaps are 3.63, 3.62, and 3.36 eV, respectively. The contribution of the different bands was analyzed by the density of states. The Mulliken population analysis is performed. A mixture of covalent and weak ionic chemical bonding exists in ZnF2. Furthermore, in order to understand the optical properties of ZnF2, the dielectric function, absorption coefficient, refractive index, electronic energy loss spectroscopy, and optical reflectivity are also performed in the energy range from 0 to 30 eV. It is found that the main absorption parts locate in the UV region for ZnF2. This is the first quantitative theoretical prediction of the electronic and optical properties of ZnF2 compound, and it still awaits experimental confirmation.     

First-principles study of electronic and optical properties in wurtzite Zn1-xCuxO

We perform a first-principles simulation to study the electronic and optical properties of wurtzite Zn1 xCuxO.The simulations are based upon the Perdew-Burke-Ernzerhof form of generalised gradient approximation within the density functional theory.Calculations are carried out in different concentrations.With increasing Cu concentration,the band gap of Zn1 xCuxO decreases due to the shift of valence band.The imaginary part of the dielectric function indicates that the optical transition between O 2p states in the highest valence band and Zn 4s states in the lowest conduction band shifts to the low energy range as the Cu concentration increases.Besides,it is shown that the insertion of Cu atom leads to redshift of the optical absorption edge.Meanwhile,the optical constants of pure ZnO and Zn0.75Cu0.25O,such as loss function,refractive index and reflectivity,are discussed.     

Ag,Zn掺杂对CdS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Ag和Zn的闪锌矿CdS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与结构的关系,给出了掺杂前后CdS体系的介电函数和复折射率函数. 研究表明,掺有Ag的CdS晶体空穴浓度增大,会明显提高材料的电导率, 而Zn掺杂不改变CdS晶体载流子浓度; Ag, Zn掺杂体系光学带隙均变窄; 通过分析掺杂前后CdS晶体的介电函数和复折射率函数,解释了体系的发光机理. 关键词： 密度泛函理论 Ag,Zn掺杂CdS 电子结构 光学性质