钴铝共掺3C-SiC电子结构和磁性的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,分别计算了不同Co原子比例单掺杂、Al原子单掺杂和Co-Al共掺杂3C-SiC的电子结构和磁性参数.结果表明:随着掺杂Co原子比例的增大,单个Co原子对体系总磁矩贡献的平均值反而减小.由电子态密度分析掺杂3C-SiC体系中的磁性来源,主要是由Co-3d以及Co原子附近的C-2p电子轨道的自旋极化产生的. Al单掺3C-SiC时体系中每个原子的平均磁矩和体系总磁矩均为0,即Al单掺杂体系不具有磁性.而Co-Al共掺杂得到的体系总磁矩比单掺等量Co时要大约0. 09μB,即Co-3d与Al-3p电子轨道发生轨道杂化,使得Co-Al共掺杂可以增大Co原子对体系总磁矩的贡献.     

Sb,S共掺杂SnO2电子结构的第一性原理分析

基于第一性原理的密度泛函理论和平面波超软赝势法,采用广义梯度近似算法研究了Sb,S两种元素共掺杂SnO₂材料的电子结构与电学性质.电子结构表明：共掺杂后材料仍然为n型导电直接带隙半导体;电荷密度分布改变,S原子与Sn,Sb原子轨道电子重叠加剧.能带结构表明,Sb,S共掺SnO₂在能带中引入新的能级,能带带隙相比于单掺更加窄化,费米能级进入导带表现出类金属特性.电子态密度计算结果进一步证实了电子转移的正确性：在价带中部,S原子轨道与Sn,Sb轨道发生杂化,电子转移加剧,价带顶部被S 3p轨道占据,提供了更多的空穴载流子,价带顶上移;随着S掺杂浓度的增加,带隙宽度继续减小,导带逐渐变窄,导电性能呈现越来越好的趋势.     

铝氮共掺杂氧化锌纳米管电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算, 对(6,0)单壁氧化锌纳米管、铝掺杂、氮掺杂和铝氮共掺杂纳米管的能带结构、态密度和差分电荷密度进行了研究. 结果表明, 氮掺杂可以在纳米管禁带中引入受主能级, 实现纳米管的p型掺杂, 但是受主能级局域性较强, 导致氮溶解度低. 引入铝元素可以有效降低氮形成受主能级局域性, 激活氮元素, 铝氮共掺杂有望成为氧化锌纳米管一种更为有效的p型掺杂方法. 关键词： 氧化锌纳米管 电子结构 共掺杂 第一性原理计算     

碳-锌共掺杂锐钛矿相TiO2 电子结构与光学性质的第一性原理研究

近年来的理论和实验研究表明,通过不同离子共掺杂TiO₂是减小其禁带宽度的一种有效方法.本文采用基于第一性原理的平面波超软赝势方法研究了C和Zn共掺杂TiO₂的能带结构、态密度和光学性质.计算结果表明C-Zn共掺杂导致导带相对Fermi能级发生了明显的下降,同时在TiO₂的导带下方与价带上方形成了新的杂质能级,使TiO₂的禁带宽度变小, TiO₂的光学吸收带边产生红移. 杂质能级可以降低光激发产生的电子-空穴对的复合概率, 提高TiO₂的光催化效率. 此外, 掺杂后TiO₂在可见光区的吸收系数有明显增加, 能量损失也明显减小.     

Be, O共掺杂实现p型AlN的第一性原理研究

基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,研究了掺杂和非掺杂AlN体系的晶格参数、 能带结构、总体态密度、分波态密度、差分电荷分布及电荷集居数.计算结果表明: Be掺杂AlN晶体能够在能隙中形成深受主能级,空穴载流子局域于价带顶, 而引入了激活施主O原子的Be, O共掺杂方法,能使受主能带变宽、非局域化特征明显. 同时,受主能级向低能方向移动,形成了浅受主能级, 从而提高了Be原子的掺杂浓度和系统的稳定性. Be, O共掺杂更有利于获得p型AlN.     

Zn,O共掺杂实现p型AlN的第一性原理研究

基于密度泛函理论(density functional theory),采用第一性原理平面波超软赝势法,研究了纤锌矿AlN,Zn掺杂和Zn,O共掺杂AlN的晶体结构、能带、电子态密度、差分电荷分布及电荷布居数.计算结果表明:Zn,O共掺杂方法中引入激活施主O原子,能使受主能级向低能方向移动,形成了浅受主能级.同时,受主能带变宽、非局域化特征明显、从而提高了Zn原子的掺杂浓度和系统的稳定性.Zn,O共掺杂更有利于获得p型AlN. 关键词： 第一性原理 AlN 电子结构 p型共掺杂     

Zn，O共掺杂实现p型AIN的第一性原理研究

基于密度泛函理论（density functional theory）,采用第一性原理平面波超软赝势法,研究了纤锌矿AIN,Zn掺杂和Zn,O共掺杂AIN的晶体结构、能带、电子态密度、差分电荷分布及电荷布居数,计算结果表明：Zn,O共掺杂方法中引入激活施主O原子,能使受主能级向低能方向移动,形成了浅受主能级,同时,受主能带变宽、非局域化特征明显、从而提高了Zn原子的掺杂浓度和系统的稳定性,Zn,O共掺杂更有利于获得P型AIN．     

Al、N共掺杂实现p-型ZnS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,计算了闪锌矿ZnS、N掺杂以及Al、N共掺杂ZnS晶体的电子结构,分析了N掺杂以及Al和N共掺杂ZnS晶体的能带结构、电子态密度以及Mulliken电荷分布。计算结果表明：N掺杂ZnS在能带中引入了深受主能级,N原子的2p态在价带顶提供了空穴载流子,载流子局域于价带顶附近;Al和N共掺使得受主能级变宽,非局域化特征明显,提高了掺杂浓度和系统的稳定性,更加有利于获得p-型ZnS。     

Cu-Co共掺杂ZnO光电性质的第一性原理计算

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了本征ZnO,Cu 1021cm-3单掺杂ZnO,Co单掺杂ZnO,Cu-Co共掺杂ZnO的电子结构和光学性质.结果表明,在本文掺杂浓度数量级下,Cu,Co单掺杂可以提高ZnO的载流子浓度,从而改善ZnO的导电性,Cu-Co共掺杂时ZnO半导体进入简并状态,呈现金属性.这三种掺杂ZnO均会在可见光和近紫外区域出现光吸收增强现象,其中由于Cu离子与Co离子之间的协同效应,Cu-Co共掺杂ZnO对太阳光的吸收大幅增加,因此Cu-Co共掺杂ZnO可以用于制备高效率的太阳电池.     

Li,N双受主共掺杂实现p型ZnO的第一性原理研究

基于密度泛函理论,采用第一性原理平面波超软赝势法,首先对六方纤锌矿结构的ZnO晶体和N,Li分别掺杂ZnO以及Li-N共掺杂ZnO晶体的几何结构分别进行了优化计算,在此基础上计算得到了未掺杂ZnO晶体和不同掺杂情况下ZnO晶体的能带结构、总体态密度、分波态密度和电荷布居数.利用计算的结果,从理论上分析了Li-N共掺杂ZnO更容易得到稳定的p型ZnO. 关键词： ZnO 电子结构 第一性原理 p型共掺杂     

First-principles study on electronic and optical properties of S,N single-doped and S-N co-doped ZnO

The electronic and optical properties of undoped, N single-doped, S single-doped, and S-N co-doped ZnO were systematically investigated by first-principles calculations. The lattice parameters of S single-doped and S-N co-doped ZnO clearly increased. After N-doping, a strongly localized impurity energy level of N was formed near the Fermi level at the top of valence band (VB). In S-N co-doped ZnO, the localization of N weakened, and the Fermi level went deeper into the VB, indicating that the acceptor energy level of N formed in S-N co-doped system became shallower due to the effect of 3p state of S. Therefore, S-N co-doping is beneficial to obtain p-type ZnO with a higher hole concentration than N single-doping. Compared with undoped ZnO, the static dielectric constant, absorption coefficient, refractive index, energy loss function, and reflectivity of N single-doped, S single-doped, and S-N co-doped ZnO exhibited an increase in low-energy area.     

Pt-N共掺杂锐钛矿TiO_2的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理中的平面波超软赝势(PWPP)方法对理想TiO_2,N单掺杂,Pt单掺杂和Pt-N共掺杂锐钛矿相TiO_2的电子结构进行计算,分析N单掺杂、Pt单掺杂及Pt-N共掺杂对锐钛矿相TiO_2的晶体结构、能带和态密度的影响.计算结果表明:掺杂后TiO_2的晶格发生畸变,原子间键长的变化使晶格发生膨胀,Pt单掺杂、N单掺杂TiO_2禁带宽度变窄,Pt-N共掺杂TiO_2分别在价带顶和导带底产生杂质能级,且禁带宽度缩小范围大,表明Pt-N共掺杂能进一步提高锐钛矿TiO_2催化性能.     

First-principles study on structural and electronic properties of copper nanowire encapsulated into GaN nanotube

We present a systemic study of the structural and electronic properties of Cu_n nanowires (n=5, 9 and 13) encapsulated in armchair (8,8) gallium nitride nanotubes (GaNNTs) using the first-principles calculations. We find that the formation processes of these systems are all exothermic. The initial shapes are preserved without any visible changes for the Cu₅@(8,8) and Cu₉@(8,8) combined systems, but a quadratic-like cross-section shape is formed for the outer nanotube of the Cu₁₃@(8,8) combined system due to the stronger attraction between nanowire and nanotube. The electrons of Ga and N atoms in outer GaN sheath affect the electron conductance of the encapsulated metallic nanowire in the Cu₁₃@(8,8) combined system. But in the Cu₅@(8,8) and Cu₉@(8,8) combined systems, the conduction electrons are distributed only on the copper atoms, so charge transport will occur only in the inner copper nanowire, which is effectively insulated by the outer GaN nanotube. Considering the maximal metal filling ratio in nanotube, we know that the Cu₉@(8,8) combined system is top-priority in the ultra-large-scale integration (ULSI) circuits and micro-electromechanical systems (MEMS) devices that demand steady transport of electrons.     

Structural and electronic properties of copper nanowire encapsulated into BeO nanotube: First-principles study

We present a systematic study on the structural and electronic properties of close-packed Cu nanowires encapsulated in a series of zigzag (n,0) BeONTs using first-principles calculations. The initial shapes (cylindrical CuNWs and BeONTs) are preserved without any visible changes for the Cu_m@(n,0) (m=6 or 8, 8≤n≤14) combined systems. The most stable combined systems are Cu₆@(10,0) and Cu₈@(11,0) with an optimal tube-wire distance of about 2.8 Å and a simple superposition of the band structures of their components near the Fermi level. A quantum conductance of 3G₀ is obtained for both Cu₆ and Cu₈ nanowires in either free-standing state or filled into BeONTs. The electron transport will occur only through the inner CuNW and the inert outer BeONT serves well as insulating cable sheath. So the Cu₆@(10,0) and Cu₈@(11,0) combined systems is top-priority in the ULSI circuits and MEMS devices that demand steady transport of electrons.     

Structural and Electronic Properties of Li2Mg(NH)2 for Hydrogen Storage: First-principles Study

应用第一原理方法研究了储氢材料α-Li₂Mg(NH)₂和β-Li₂Mg(NH)₂两种构型的结构性质和电子性质．计算优化得到的晶胞参数和N-H键长符合实验得到的数据．通过Murnaghan状态方程得到了体积模量和零压力下的能量,计算结果表明α-Li₂Mg(NH)₂为基态构型．通过Mulliken布居分析说明α构型的N-Li/Mg的离子特性和N-H间的交互作用都弱于β构型．态密度分析结果表明,价带轨道主要由N原子的s轨道和p轨道占据,并与H原子的s轨道杂化．     

Nb-X(X=Y,Zr)共掺杂SnO_2电子结构的第一性原理研究

本文采用第一性原理方法研究了Nb-X(X=Y,Zr)共掺杂SnO_2能带结构与态密度,探讨了其磁性产生的机理.研究结果表明,Nb-Y共掺杂SnO_2体系自旋向上和自旋向下的能带、态密度完全对称,总磁矩为0μB;Nb-Zr共掺杂的SnO_2体系自旋向上和自旋向下的能带与态密度在费米能级处都出现了不对称的情况,出现耦合现象,其总磁矩为0.933μB;分析Nb-Y共掺杂SnO_2的能带结构与态密度得到自旋向上和自旋向下的能带禁带中的4条杂质能级来源于Nb-Y共掺杂SnO_2电子的施主与受主能级;NbZr共掺杂SnO_2体系产生磁性的原因在于Nb和Zr的d轨道的引入.     

第一性原理研究3C-SiC/Mg复合材料界面的电子结构

基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法对4种3C-SiC(111)/Mg(0001)界面模型进行研究.界面间距和粘附功的计算表明,结构优化之后的界面模型只在z轴方向发生了移动,界面间距发生了不同程度的缩短;中心型模型的稳定性强于顶位型模型,C终端结构的稳定性强于Si终端结构,中心型C终端的界面模型具有最大的粘附功(2.5834 J/m~2)和最小的界面间距(1.7193?),是4种模型中最稳定的结构. Mulliken电荷、电荷密度分布、差分电荷密度和态密度的计算表明,中心性结构的Si终端和C终端模型界面处存在共价键、离子键和金属键.     

高压下LiNbO3晶体电子结构与光学性质的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理超软赝势平面方法研究了外界压强对LiNbO3晶体波态密度,能带结构,电荷密度以及光学性质的影响.能带结构计算表明,价带顶主要由O-2p和Nb-4d态电子贡献,导带底主要由Nb-4d态电子贡献,且带隙随着压强的增加而线性增大.利用复介电函数计算了LiNbO3晶体在不同压强下光学性质的折射率、反射率、吸收系数,能量损失函数以及光电导率. 研究发现：外界压强大于10Gpa时,静态折射率保持不变,随外界压强的增加,反射率、吸收函数以及光电导率区间有一定程度的拓宽,损失函数峰发生“蓝移”.研究表明,高压可以有效调控LiNbO3晶体的电子结构和光学性质,为LiNbO3晶体的高压应用提供了有益的理论依据.     

第一性原理下铜锰共掺铌酸锂晶体的电子结构和吸收光谱

采用基于密度泛函理论的第一性原理研究了Cu、Mn单掺及共掺LiNbO3晶体的电子结构和光学性质.结果显示,Cu、Mn掺杂LiNbO_3晶体禁带中的杂质能级分别由Cu 3d轨道、Mn 3d轨道贡献;各掺杂体系的带隙均较纯LiNbO_3晶体变窄.共掺晶体中Cu离子形成了较单掺时更浅的能级中心,并在2.87eV处有较强的吸收峰;Mn离子在1.73eV附近的吸收较单掺时减弱且中心略有偏移,在2.24eV处的非光折变峰与Mn~(3+)相关,这对吸收峰的变化被认为与Cu、Mn间电子转移相联系.相对Cu、Fe共掺LiNbO_3晶体,Cu、Mn共掺LiNbO_3晶体可以通过适当提高Cu离子浓度,来改善存储参量中的动态范围和记录灵敏度.由于同一深能级掺杂离子伴以不同浅能级掺离子将呈现出不同的吸收特征并影响存储性能,在共掺离子的配搭选择时对各待选配搭的模拟计算非常必要.