Al-N共掺杂ZnO电子结构和光学性质

基于密度泛函理论的第一性原理,分析了Al-N共掺杂ZnO的电子结构和光学性质。计算了Al-N复合体共掺ZnO的结合能,发现Al-N复合体可以在ZnO中稳定存在,因此Al-N共掺可以提高N在ZnO的固溶度。研究表明:N掺杂ZnO体系,由于N-2p和Zn-3d态电子轨道杂化作用,在费米能级附近引入深受主能级,价带顶和导带底发生位移,导致禁带宽带变窄。而Al-N共掺杂体系,适当控制Al和N的比例,克服了N单掺杂时受主间的相互排斥,降低了受主能级,对改善ZnO的p型掺杂有重要意义。在Al-N共掺ZnO中,Al的引入,导致共掺体系的禁带宽度减小,吸收带边红移,实验现象证实了这一结果。     

过渡金属与氮共掺杂ZnO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框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,结合广义梯度近似(GGA)研究了过渡族金属(Mn,Fe,Co,Cu)与N共掺杂ZnO的能带结构、电子态密度分布、差分电荷密度和光学性质.计算表明Mn，Fe，Co与N共掺ZnO的光学性质与Mn，Fe，Co单掺杂相近，但是过渡族金属与N共掺杂有利于获得p型ZnO. 关键词： ZnO 第一性原理 电子结构 光学性质     

Nd、N掺杂ZnO的电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理,使用GGA+U方法计算出N、Nd分别单掺ZnO及N、Nd共掺ZnO晶体的形成能,能带结构,态密度及光学性质.经过对比发现:N、Nd各掺杂ZnO中,共掺体系比单掺体系更容易形成,其中低浓度掺杂难度更低;共掺体系随着掺杂浓度的升高,其畸变的强度就越强,禁带宽度变窄,电子跃迁到导带上所需的能量更小,光吸收系数较大,并且都产生了红移,光谱响应范围扩展到了整个可见光区域;共掺体系在低能区域的介电谱峰值较高,说明其极化能力较强,光生电场强度较大,会使光激发载流子在晶体内的迁移变快,对电荷的束缚能力增强.因此N、Nd共掺可以有效提升ZnO的光催化性和极化能力.     

W-Cu共掺杂ZnO电子结构和光学性质

采用了基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了本征ZnO, W单掺杂ZnO, Cu单掺杂ZnO,以及W-Cu共掺杂ZnO电子结构和光学性质.计算结果表明:W掺杂属于n型掺杂, Cu掺杂属于p型掺杂,单掺杂均可以提高ZnO的载流子浓度,从而改善ZnO的导电性. W-Cu共掺杂时ZnO进入简并状态,呈现金属性质.三种掺杂ZnO的吸收光谱均发生红移,其中W-Cu共掺杂时, ZnO对太阳光谱的吸收效果最好.     

B-N共掺杂改善p型ZnO的理论分析

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势法对B缺陷在ZnO中的存在形式进行了理论分析,对B-N共掺杂ZnO体系的晶格结构、杂质形成能、杂质态密度及电子结构进行了系统的研究.研究表明,B缺陷在掺杂体系中主要以BZn的形式存在,这种结构会引起相应的晶格收缩;研究发现与以往的N掺杂相比,共掺结构具有更低的杂质形成能和更高的化学稳定性,因此更加适合掺杂.此外,共掺能够形成更低的受主能级,因而减小了受主的杂质电离能,提高了受主态密度;研究显示共掺结构下的杂质N原子与体相Zn原子之间的键合能力提高,受主原子得电子的能力增强,因此B-N共掺有望成为一种更为有效的p型掺杂手段.     

第一性原理研究Te-N共掺p型ZnO

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势法对Te-N共掺杂ZnO体系的晶格结构、 杂质态密度和电子结构进行了理论分析.研究表明, N掺杂引起晶格收缩,而Te的掺入引起晶格膨胀, 从而减小晶格应力促进N的掺杂,并且Te由于电负性小于O而带正电, Te在ZnO中作为等电子施主而存在.研究发现, N掺杂体系中在费米能级附件形成窄的深受主能级, 而Te-N共掺体系中, N杂质带变宽,空穴更加离域,同时,空穴有效质量变小,受主能级变浅, 更有利于实现p型特性.因此, Te-N共掺有望成为一种更为有效的p型掺杂手段.     

In–2N高共掺浓度和择优取向对ZnO最小光学带隙和吸收光谱的影响

目前, 虽然In和2N共掺对ZnO最小光学带隙和吸收光谱影响的实验研究均有报道, 但是, In和2N共掺在ZnO中均是随机掺杂, 没有考虑利用ZnO的单极性结构进行择优取向共掺, 第一性原理的出现能够解决该问题. 本文采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势(GGA+U)方法, 计算了纯的ZnO单胞、择优位向高共掺In–2N原子的Zn_1-xIn_xO_1-yN_y(x= 0.0625–0.03125, y=0.0625–0.125)八种超胞模型的态密度分布和吸收光谱分布. 计算结果表明, 在相同掺杂方式、不同浓度共掺In-2N的条件下, 掺杂量越增加, 掺杂体系体积越增加、能量越增加, 稳定性越下降、形成能越增加、掺杂越难、掺杂体系最小光学带隙越变窄、吸收光谱红移越显著. 计算结果与实验结果相一致. 在不同掺杂方式、相同浓度共掺In–2N的条件下, In–N沿c轴取向成键共掺与垂直于c轴取向成键共掺体系相比较, 沿c轴取向成键共掺体系最小光学带隙越变窄、吸收光谱红移越显著. 这对设计和制备新型光催化剂功能材料有一定的理论指导作用.     

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.     

Ga/N高共掺浓度对ZnO导电性能和红移影响的第一性原理研究

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, 建立了未掺杂ZnO单胞和两种不同浓度的Ga/N高共掺ZnO超胞模型, 分别进行了几何结构优化、总态密度分布和能带分布的计算. 研究表明, ZnO高共掺Ga/N的条件下, Ga/N高共掺浓度越大, 导电性能越弱, 并且高掺杂后高能区红移效应显著, 计算得到的结果与实验结果的变化趋势一致. 关键词： Ga/N高共掺ZnO 电导率 红移 第一性原理     

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, Li-2N共掺p型ZnO的第一性原理研究

利用密度泛函理论, 计算了本征ZnO, Li-N共掺杂ZnO及Li-2N共掺杂ZnO的电子结构. 计算结果表明, Li-N及Li-2N共掺杂ZnO体系的Fermi能级均不同程度地进入价带顶, 并在Fermi能级附近形成浅的受主能级, 这说明, Li, N原子共掺杂可获得稳定的p型ZnO;与Li-N掺杂ZnO体系相比, Li-2N掺杂ZnO体系进一步提高了体系的载流子浓度, 更有利于获得p型ZnO.     

First-principle study of optical properties of (N,Ga) codoped ZnO

To analyze the electronic structure and optical properties of (N, Ga) codoped ZnO, the parameters such as band structure, density of states, dielectric constant, absorption and reflection spectra of pure ZnO, N–Ga and 2N–Ga codoped ZnO were calculated by using first-principle method based on DFT (Density Functional Theory). The results demonstrated that the band gap of (N, Ga) codoped ZnO narrows, and 2N–Ga codoping can obtain a high-quality and more stable p-type ZnO. Compared with pure ZnO, the real and imaginary part of dielectric function of (N, Ga) codoped ZnO move toward a lower energy side; in ultraviolet region, the absorption spectrum reduces greatly, and the blue shift of reflectivity spectrum is observed; while in infrared region, the reflectivity spectrum of 2N–Ga codoped ZnO is twice that of pure ZnO or N–Ga codoped ZnO. The results provided certain theoretical reference for the study of ZnO-based transparent conductive thin films.     

In-N共掺杂ZnO第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法计算了纤锌矿ZnO,N掺杂和In-N共掺杂ZnO晶体的电子结构,分析了N掺杂和In-N共掺杂ZnO晶体的能带结构、电子态密度、差分电荷分布以及H原子对In-N共掺杂ZnO的影响.计算结果表明：N掺杂ZnO在能隙中引入了深受主能级,载流子(空穴)局域于价带顶附近.而加入激活施主In的In-N共掺杂ZnO,受主能级向低能方向移动,形成了浅受主能级.同时,受主能级带变宽、非局域化特征明显、提高了掺杂浓度和系统的稳定性.文章的结论与实验结果相符,从而为实 关键词： 密度泛函理论(DFT) 第一性原理 N掺杂ZnO In-N共掺杂ZnO     

Comparisons of ZnO codoped by group IIIA elements (Al, Ga, In) and N: a first-principle study

The electronic structures and effective masses of the N mono-doped and Al-N,Ga-N,In-N codoped ZnO system have been calculated by a first-principle method,and comparisons among different doping cases are made.According to the results,the impurity states in the codoping cases are more delocalised compared to the N mono-doping case,which means a better conductive behaviour can be obtained by codoping.Besides,compared to the Al-N and Ga-N codoping cases,the hole effective mass of In-N codoped system is much smaller,indicating the p-type conductivity can be more enhanced by In-N codoping.     

Electronic structure and magnetic properties of Cr monodoped and (Cr, Al) codoped ZnO

Using first-principles calculations based on density functional theory, we investigated systematically the electronic structures and magnetic properties of Cr monodoped and (Cr, Al) codoped in ZnO. The results indicate that Cr monodoped in ZnO favors a spin-polarized state with a total magnetic moment of 7.50μ_B per supercell and the magnetic moment mainly comes from the unpaired 3d electrons of Cr atoms. In addition, it was found that the ferromagnetic exchange interaction between Cr atoms is short-ranged in Cr monodoped ZnO. Interestingly, the ferromagnetic stability can be enhanced significantly by codoping Al_Zn. We think that the enhancement of ferromagnetic stability should be attributed to the additional electrons introduced by Al_Zn codoping.     

第一性原理研究Eu/N共掺杂锐钛矿TiO2光催化剂的电子和光学性质

基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法, 运用Vasp方法计算了Eu, N掺杂及Eu/N共掺杂锐钛矿TiO₂的结构, 并分析了其电子及光学性质. 通过计算发现有一些Eu的4f态电子在Eu掺杂锐钛矿TiO₂的体系的费米能级附近出现杂质能级, 并且N掺杂会使得锐钛矿TiO₂的禁带宽度减小. 对于共掺杂体系而言, Eu/N共掺杂的协同效应能导致锐钛矿TiO₂的晶格畸变及禁带宽度减小. 与此同时, 计算得到的光吸收谱表明Eu/N混合掺杂锐钛矿TiO₂展现出了明显的光谱吸收边缘红移. 这些计算结果表明Eu/N共掺杂锐钛矿TiO₂具有优良的光催化活性. 关键词： 2')" href="#">TiO₂ 共掺杂 可见光催化剂 密度泛函理论