W-S共掺杂锐钛矿TiO2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法,计算了未掺杂,WS单掺杂及W-S共掺杂TiO2的电子结构和光学性质．结果表明：掺杂后晶格畸变,晶格常数变大并在TiO2禁带中引入杂质能级．对于S单掺杂TiO2,禁带宽度减小和杂质能级的引入导致吸收光谱红移,而对于W单掺杂和W-S共掺杂,禁带宽度的明显增大致使掺杂后TiO2的吸收光谱蓝移．     

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     

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.     

Mn掺杂6H-SiC的第一性原理研究

本文通过密度泛函理论第一性原理平面波超软赝势计算方法计算了Mn掺杂6H-SiC的电子结构与光学性质。计算结果显示掺杂Mn后的6H-SiC为间接带隙p型半导体,且带隙较本征体有所降低,带隙由2.022 eV降为0.602 eV,电子从价带跃迁所需能量减少。掺杂后的Mn的3d能级在能带结构中以杂质能级出现,提高了载流子浓度,导电性增强。光学性质研究中,掺杂Mn后的介电函数虚部在低能处增加,电子激发态数量增多,跃迁概率增大。掺杂后的光吸收谱能量初值也较未掺杂的3.1 eV扩展到0 eV,反射谱发生红移。由于禁带宽度的降低使得光电导率起始范围得到扩展。     

Cu-Fe共掺杂ZnO电子结构与光学性质的第一性原理计算研究

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ZnO,Cu、Fe单掺杂和Cu-Fe共掺杂ZnO的电子结构和光学性质.计算结果显示:Cu掺杂属于p型掺杂,Fe掺杂属于n型掺杂,单掺杂时Cu-3d态电子和Fe-3d态电子均在禁带形成杂质能级,从而提高ZnO的载流子浓度,改善ZnO的导电性能,而Cu-Fe共掺杂时ZnO半导体进入简并态,呈现金属特性.掺杂后的ZnO介电函数虚部变化主要集中在低能量区域,光谱吸收系数及反射率曲线发生红移,其中本征ZnO对太阳光谱有较好的透射性,Fe单掺杂和Cu-Fe共掺杂ZnO对可见光谱有相似的吸收效果,而Fe单掺杂ZnO对近紫外区域的光谱透射率更小,适用于制备防紫外线薄膜.     

铬,银掺杂和铬氧共掺杂n型,p型氮化硼纳米管第一性原理研究

基于第一性原理的平面波超软赝势法对(6, 0)单壁氮化硼纳米管、Cr掺杂、Ag掺杂、以及Cr-O共掺纳米管进行电子结构和光学性质的计算.结果表明:Cr掺杂和Cr-O共掺体系相比于本征体系的带隙值均减小,掺杂体系的导带底穿过费米能级从而实现了氮化硼纳米管的n型掺杂. Ag掺杂实现了纳米管的p型掺杂.本征氮化硼纳米管、Ag掺杂、Cr掺杂、以及Cr-O共掺纳米管的静态介电常数分别为1.17、1.61、1.32和1.48,相对于本征体系静介电性能有所提高.     

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.     

TiO_2纳米管电子结构和光学性质的第一性原理研究

运用基于密度泛函理论的第一性原理方法,系统研究了小尺寸锐钛矿相(n,0)型Ti O2纳米管(D16)的几何构型、电子结构和光学性质.结果表明:随着管径增大,体系单位Ti O2分子的形成能降低,体系趋于稳定;在管径14左右,(n,0)型Ti O2纳米管会发生一次构型的转变.能带分析显示,Ti O2纳米管的电子态比较局域化,小管径下(D14)其导电性更好;随着构型的转变,Ti O2纳米管由直接带隙转变为间接带隙,并且带隙值随着管径的增大而增大,这是由于π轨道重叠效应的影响大于量子限域效应所导致的结果.两种效应的竞争,使得Ti O2纳米管的介电函数虚部ε2(ω)谱的峰值位置随管径增大既可能红移也可能蓝移,管径大于9(即(8,0)管)之后,Ti O2纳米管的光吸收会出现明显的增强.     

掺杂二氧化钛纳米管对有机电致发光性能的影响

在聚合物电致发光器件中，通过在不同功能层中掺杂二氧化钛纳米管来改善器件的性能.由于二氧化钛纳米管具有p型传导特性，可以显著增大空穴传输层中载流子的迁移率.由于二氧化钛纳米管在发光层中可以增大发光材料分子的刚性，从而减少无辐射跃迁.当把二氧化钛纳米管掺杂到空穴缓冲层中时，由于其与有机分子的强相互作用，一方面降低了空穴的传导性，同时也减少了界面淬灭发光的缺陷态的产生. 关键词： 二氧化钛纳米管 聚合物电致发光 掺杂     

稀土元素(La,Y)掺杂GaN的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对稀土元素La,Y单掺杂和La和Y共掺杂GaN的晶格常数、电子结构及光学性质进行了计算与分析.计算结果表明:掺杂改变了GaN的能带结构,未掺杂和Y掺杂形成导带底和价带顶位于G点的直接带隙半导体,而La掺杂和La和Y共掺杂形成导带底位于G点,价带顶位于Q点的间接带隙半导体.可以通过掺杂元素来调制GaN的禁带宽度和带隙类型,掺杂均提高GaN在低能区的静态介电常数、反射率、折射率,使光子的跃迁强度增大,说明稀土元素La,Y掺杂可有效调制GaN的光电性质.     

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.     

N掺杂和N-V共掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的投影缀加平面波方法和广义梯度近似加Hubbard参数的似近,研究了锐钛矿相TiO₂,N掺杂TiO₂和N-V共掺杂TiO₂体系的基态原子构型、电子结构.结果表明,N掺杂后,其晶胞体积比末掺杂时要略微增大,基态构型并未发生明显变化,而N-V共掺杂时,对称性被破坏,V原子向N原子附近靠近.计算得到的锐钛矿相TiO₂带隙E_gap为3.256 eV,与实验值3.23 eV非常接近.N掺杂TiO₂带隙降低了0.4 eV,而N-V共掺杂带隙降低至2.555 eV.此外,N-V共掺杂会在价带顶和导带底之间形成受主和施主能级,这种能级对光生电子-空穴对的分离是非常有利的,降低了再次复合的概率.因此,N-V共掺杂TiO₂可以有效地提升TiO₂作为光催化剂的催化能力.     

La-N共掺杂锐钛矿相TiO_2的电子结构及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平面波超软赝势方法对锐钛矿相TiO_2、La单掺杂及La-N共掺杂锐钛矿相TiO_2的电子结构进行计算,分析La单掺杂及La-N共掺杂对锐钛矿相TiO_2的晶体结构、能带、态密度、差分电荷密度和光吸收性质的影响.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;掺杂后TiO_2的禁带宽度减小,并在禁带中引入杂质能级,导致TiO_2的吸收图谱产生红移现象;与La单掺杂相比,La-N共掺杂锐钛矿相TiO_2的红移程度增强.     

La-N共掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构及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平面波超软赝势方法对锐钛矿相TiO2、La单掺杂及La-N共掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构进行计算,分析La单掺杂及La-N共掺杂对锐钛矿相TiO2的晶体结构、能带、态密度、差分电荷密度和光吸收性质的影响. 结果表明,掺杂后TiO2的晶格发生畸变,原子间键长的变化使晶格发生膨胀;掺杂后TiO2的禁带宽度减小,并在禁带中引入杂质能级,导致TiO2的吸收图谱产生红移现象;与La单掺杂相比,La-N共掺杂锐钛矿相TiO2的红移程度增强.     

B掺杂锐钛矿型(101)面的电子结构和光学性质研究

采用平面波超软赝势方法计算了B掺杂锐钛矿型TiO2(101)面的几何结构、缺陷形成能、电子结构和光学性质.分析B掺杂后的几何结构,发现氧化气氛下B易于掺杂间隙1处,还原气氛下易于替位掺杂O3C2.计算了掺杂前后的氧空位VO形成能和替位形成能,得出B掺杂和氧空位相互促进的结论.B掺杂在导带底引入了杂质能级,B的2p态和Ti的3d态发生强烈关联而使带隙变窄,发生红移现象.O空位也使带隙变窄,但未发现红移现象.B掺杂和O空位同时存在则使吸收光谱扩展至整个可见光区.     

B掺杂锐钛矿型(101)面的电子结构和光学性质研究

采用平面波超软赝势方法计算了B掺杂锐钛矿型TiO2(101)面的几何结构、缺陷形成能、电子结构和光学性质.分析B掺杂后的几何结构,发现氧化气氛下B易于掺杂间隙1处,还原气氛下易于替位掺杂O3C2.计算了掺杂前后的氧空位VO形成能和替位形成能,得出B掺杂和氧空位相互促进的结论.B掺杂在导带底引入了杂质能级,B的2p态和Ti的3d态发生强烈关联而使带隙变窄,发生红移现象.O空位也使带隙变窄,但未发现红移现象.B掺杂和O空位同时存在则使吸收光谱扩展至整个可见光区.     

First-principles study on anatase TiO2（101） surface adsorption of NO

In this paper, the stable structure and the electronic and optical properties of nitric oxide （NO） adsorption on the anatase TiO2 （101） surface are studied using the plane-wave ultrasoft pseudopotential method, which is based on the density functional theory. NO adsorption on the surface is weak when the outermost layer terminates on twofold coordinated oxygen atoms, but it is remarkably enhanced on the surface containing O vacancy defects. The higher the concentration of oxygen vacancy defects, the stronger the adsorption is. The adsorption energies are 3.4528 eV （N end adsorption）, 2.6770 eV （O end adsorption）, and 4.1437 eV （horizontal adsorption）. The adsorption process is exothermic, resulting in a more stable adsorption structure. Furthermore, O vacancy defects on the TiO2 （101） surface significantly contribute to the absorption of visible light in a relatively low-energy region. A new absorption peak in the low-energy region, corresponding to an energy of 0.9 eV, is observed. However, the TiO2 （101） surface structure exhibits weak absorption in the low-energy region of visible light after NO adsorption.     

Energetics and electronic structure of a single copper atomic chain wrapped in a carbon nanotube: a first-principles study

In the generalized gradient approximation, the energy and electronic structure are investigated for a single copper atomic chain wrapped in (4, 4), (5, 5) and (6, 6) armchair carbon nanotubes by using the first-principles projector-augmented wave potential within the framework of density functional theory. The results show that the (4, 4) and (5, 5) tubes are too narrow to wrap a Cu chain, but the (6, 6) tube is nearly ideal to wrap a Cu chain on its centre axis. Wider tubes are anticipated to wrap more than one Cu chain spontaneously with forces amounting to a fraction of a nanonewton. Although the tube--chain interaction decreases with the increase of the tube diameter of (4, 4), (5, 5) and (6, 6) successively, the charge density of the Cu@(6, 6) combined system still does not show complete superposition of that of the pristine (6, 6) tube and Cu chain. Successively reducing the restrictions of (4, 4), (5, 5) and (6, 6) tubes on the Cu chain leads to a reduction in shift of the highest peak of the Cu chain towards lower energies, that is from -0.5177~eV of the isolated Cu chain to -1.36785~eV, -0.668~eV and -0.588~eV for the Cu@(4, 4), Cu@(5, 5) and Cu@(6, 6) systems, respectively. In reverse, the strong metallic character of the Cu chain also enhances the metallic character of the combined systems so that the broader pseudogaps of the pristine carbon nanotubes around the Fermi level change into the narrow pseudogaps of the combined systems.