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.     

采用第一性原理研究钼掺杂浓度对ZnO物性的影响

Mo掺杂ZnO的吸收光谱红移和蓝移两种相互冲突的实验结果均有报道,但是仍然没有合理解释.为了解决该问题,本文采用基于密度泛函理论的广义梯度近似平面波超软赝势+U方法,用第一性原理分析了Zn_(0.9583)Mo_(0.0417)O,Zn_(0.9375_Mo_(0.0625_O,Zn_(14)Mo_2O的能带结构、态密度和吸收光谱分布.结果表明,Mo掺杂量为2.08 at%—3.13 at%的范围内,随着掺杂量的增加,体系的体积逐渐增大,形成能逐渐升高,稳定性逐渐下降,掺杂逐渐困难.与此同时,所有掺杂体系均转化为n型简并半导体.与未掺杂ZnO相比,掺杂体系的带隙均变窄,吸收光谱均发生红移,Mo掺杂量越增加,掺杂体系带隙变窄减弱、吸收光谱红移减弱、电子有效质量越减小、电子浓度越减小、电子迁移率越减小、电子电导率越减小.同时,磁矩减小,掺杂体系的居里温度能达到室温以上.     

V高掺杂量对ZnO（GGA+$lt;em$gt;U$lt;/em$gt;）导电性能和吸收光谱影响的研究

目前,在V高掺杂ZnO中,当V掺杂量摩尔数为0.03125–0.04167的范围内,掺杂量越增加,电阻率越增加或越减小的两种实验结果均有文献报道. 为解决这个矛盾,本文采用密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,构建未掺杂ZnO,V高掺杂的Zn_1-xV_xO （x=0.03125,0.04167） 两种超胞模型,首先,对所有体系进行几何结构优化,在此基础上,采用GGA+U的方法,计算所有体系的能带结构分布、态密度分布、吸收光谱分布. 结果表明,当掺杂量摩尔数为0.03125–0.04167的范围内,V掺杂量越增加,掺杂体系体积越增加,总能量越下降,形成能越减小,掺杂体系越稳定,相对电子浓度越减小,迁移率越减小,电导率越减小,最小光学带隙越增加,吸收光谱蓝移越显著. 计算结果与实验结果相一致. 关键词： V高掺杂ZnO 电导率 吸收光谱 第一性原理     

Y掺杂ZnO最小光学带隙和吸收光谱的第一性原理研究

对于Y掺杂ZnO,当摩尔数在0.0313-0.0625之内,Y掺杂量越增加,吸收光谱发生红移和蓝移两种不同实验结果均有文献报道.本文使用Materials Studio软件下的CASTEP模块中密度泛函理论的第一性原理平面波模守恒(Norm conserving)赝势GGA+U的方法,构建了未掺杂纤锌矿ZnO单胞以及Y掺杂ZnO的Zn_(0.9687)Y_(0.0313)O超胞、Zn_(0.9583)Y_(0.0417)O超胞和Zn_(0.9375)Y_(0.0625)O超胞模型.对掺杂前后体系的能带结构、态密度、差分电荷密度、布居值以及吸收光谱进行了计算.计算结果表明:当Y掺杂摩尔数在0.0313-0.0625之内,Y掺杂量越增加,掺杂体系的晶格常数、体积、总能量越增大,掺杂体系越不稳定、形成能越增大、掺杂越难;掺杂体系中平行于和垂直于c轴的Y-O键布居值越减小、离子键越增强、共价键越减弱、键长越变长;掺杂体系的最小光学带隙越变宽、吸收光谱发生蓝移现象越明显.吸收光谱的计算结果与实验结果相符合,合理解释了吸收光谱红移、蓝移的争论.这对制备Y掺杂ZnO短波长光学器件能起到一定的理论指导作用.     

Ga高掺杂对ZnO的最小光学带隙和吸收带边影响的第一性原理研究

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, 建立了纯的和四种不同Ga掺杂量的ZnO超胞模型, 分别对模型进行了几何结构优化、能带结构分布、态密度分布和吸收光谱的计算. 结果表明, 在本文限定的Ga掺杂量2.08 at%–6.25 at%的范围内, 随着Ga掺杂量的增加, 掺杂后的ZnO体系体积变化不是很大, 但是, 掺杂体系ZnO的能量增加, 掺杂体系变得越来越不稳定, 同时, 掺杂体系ZnO的Burstein-Moss 效应越显著, 最小光学带隙变得越宽, 吸收带边越向高能方向移动. 计算结果和实验结果相一致. 关键词： Ga高掺杂ZnO 电子结构 吸收光谱 第一性原理     

GGA+U的方法研究Ag掺杂浓度对ZnO带隙和吸收光谱的影响

目前, 当Ag掺杂ZnO摩尔数为0.0208-0.0278的范围内, Ag掺杂对ZnO吸收光谱影响的实验研究均有文献报道, 但是, 有两种不同的实验结果, 掺杂体系吸收光谱红移或蓝移两种相悖的报道. 为了解决本问题, 本文采用自旋密度泛函理论(DFT)框架下的广义梯度近似(GGA+U)平面波赝势方法, 构建三种Zn_1-xAg_xO (x=0, x=0.0278, x=0.0417)模型, 分别对所有模型进行几何结构优化和能量计算. 结果表明, 与纯的ZnO布居值和Zn-O的键长相比, 掺杂体系布居值减小、Ag-O键长增加、共价键减弱、离子键增强. 当Ag掺杂ZnO摩尔数为0.0278-0.0417的范围内, Ag掺杂量越增加、O原子2p轨道、Zn原子的4s, 3d轨道电荷数不变、Ag原子的5s轨道电荷数越增加、Ag原子的4d轨道电荷数越减小、掺杂体系晶格常数越增加、体积越增加、总能量越增加、稳定性越下降、形成能越下降、掺杂越难、掺杂体系的带隙越变窄、吸收光谱红移越显著. 计算结果与实验结果相一致. 并且合理解释了存在的问题. 这对设计和制备Ag掺杂ZnO体系的光催化剂有一定的理论指导作用.     

Ni掺杂对ZnO磁光性能的影响

在掺杂浓度范围为2.78%—6.25%(物质的量分数)时,Ni掺杂ZnO体系吸收光谱分布的实验结果存在争议,目前仍然没有合理的理论解释.为了解决存在的争议,在电子自旋极化状态下,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,构建不同Ni掺杂量的ZnO超胞模型,分别对模型进行几何结构优化和能量计算.结果表明,Ni掺杂量越大,形成能越高,掺杂越难,体系稳定性越低,掺杂体系带隙越窄,吸收光谱红移越显著.采用LDA(局域密度近似)+U方法调整带隙.结果表明,掺杂体系的铁磁性居里温度能够达到室温以上,磁矩来源于p-d态杂化电子交换作用.Ni掺杂量越高,掺杂体系的磁矩越小.另外还发现Ni原子在ZnO中间隙掺杂时,掺杂体系在紫外光和可见光区的吸收光谱发生蓝移现象.     

Zn1-xMgxO薄膜p型导电和光学性能

采用超声喷雾热分解(Ultrasonic Spray Pyrolysis,USP)方法,以醋酸锌、醋酸镁、醋酸铵、氯化铝的混合水溶液为前驱溶液,在单晶Si(100)衬底上制备了ZnO,Zn_0.81Mg_0.19O,N-Al共掺杂ZnO和N-Al共掺杂Zn_0.81Mg_0.19O薄膜。以X射线衍射(XRD)、场发射-扫描电镜(FE-SEM)、霍尔效应(Hall-effect)、光致发光(Photoluminescence,PL)谱等手段研究了薄膜的晶体结构、表面形貌、电学性能、光学性能和带隙变化。电学测试结果表明,未掺杂ZnO及Zn_0.81Mg_0.19O薄膜为n型导电;而N-Al共掺杂ZnO和N-Al共掺杂Zn_0.81Mg_0.19O薄膜呈p型导电。Zn_0.81Mg_0.19O和N-Al共掺杂Zn_0.81Mg_0.19O(p型)薄膜在维持ZnO纤锌矿结构的前提下,光学带隙随Mg掺杂量增加而增大。初步结果显示,优化工艺参数下通过Mg掺杂制备光学带隙可调的p型Zn_0.81Mg_0.19O薄膜,对于试制Zn_1-xMg_xO基同质p-n结、短波长(紫外、深紫外)器件等方面有重要意义。     

Mn高掺杂浓度对ZnO禁带宽度和吸收光谱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, 建立了未掺杂与不同浓度的Mn原子取代Zn原子的三种Zn_1-xMn_xO超胞模型, 分别对模型进行了几何结构优化、态密度分布、能带分布和吸收光谱的计算. 结果表明: 电子非自旋极化处理的条件下, Mn掺杂浓度越小, ZnO形成能越小, 掺杂越容易, 晶体结构越稳定; Mn的掺入使得ZnO体系的杂质能带和导带发生简并化, 并且导带底和价带底同时向低能方向移动, 掺杂后的导带比价带下降得少导致禁带宽度变宽, ZnO吸收光谱明显出现蓝移现象, 计算结果和实验结果相一致. 同时, 电子自旋极化处理的条件下, 体系有磁性, 吸收光谱发生红移现象. 计算结果与相关实验结果相符合.     

Nb高掺杂量对锐钛矿TiO2导电和光学性能影响

目前, 在Nb高掺杂量摩尔数分别为0.050和0.0625的条件下, 对掺杂体系锐钛矿TiO₂电阻最低存在相反的两种实验结果都有文献报道. 为解决这个矛盾, 本文采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法, 计算了纯的单胞和三种不同Nb高掺杂量对锐钛矿Ti_1-xNb_xO₂ (x=0.03125, 0.050, 0.0625)超胞的能带结构分布、态密度分布和光学性质. 结果表明, 在本文限定掺杂量的条件下, Nb掺杂量越增加, 掺杂体系的体积越增加, 总能量越升高, 稳定性越下降, 形成能越升高, 掺杂越难, 相对自由电子浓度越增加, 电子有效质量越增加, 电子迁移率越减小, 电子电导率越减小, 最小光学带隙越变宽, 吸收光谱和反射率向低能方向移动越显著, 透射率越增加. 计算结果与实验结果相吻合.     

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.     

第一性原理研究O和S掺杂的石墨相氮化碳(g-C_3N_4)_6量子点电子结构和光吸收性质

利用密度泛函和含时密度泛函理论研究了氧(O)和硫(S)原子掺杂的石墨相氮化碳(g-C_3N_4)_6量子点的几何、电子结构和紫外-可见光吸收性质.结果表明:掺杂后(g-C_3N_4)_6量子点杂质原子周围的C-N键长发生了一定的改变,最高电子占据分子轨道-最低电子未占据分子轨道(HOMO-LUMO)能隙显著减小.形成能的计算表明O原子取代掺杂的(g-C_3N_4)_6量子点体系更稳定,且O原子更易取代N3位点,而S原子更易取代N8位点.模拟的紫外-可见电子吸收光谱表明,O和S原子的掺杂改善了(g-C_3N_4)_6量子点的光吸收,使其吸收范围覆盖了整个可见光区域,甚至扩展到了红外区.而且适当的杂质浓度使(g-C_3N_4)_6量子点光吸收在强度和范围上都得到明显改善.通过O和S掺杂的比较,发现二者在可见光区对(g-C_3N_4)_6量子点的光吸收有相似的影响,然而在长波长区域二者的影响有明显差异.总体而言,O掺杂要优于S掺杂对(g-C_3N_4)_6量子点光吸收的影响.     

V高掺杂ZnO最小光学带隙和吸收光谱的第一性原理研究

对于V高掺杂ZnO,当摩尔分数为0.0417—0.0625时,随着掺杂量的增加,吸收光谱出现蓝移减弱和蓝移增强两种不同实验结果均有文献报道.采用密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,构建未掺杂ZnO单胞模型、V高掺杂Zn1-xVxO(x=0.0417,0.0625)两种超胞模型,采用GGA+U方法计算掺杂前后体系的形成能、态密度、分波态密度、磁性和吸收光谱.结果表明,当V的掺杂量(原子含量)为2.083%—3.125%时,随着V掺杂量增加,掺杂体系磁矩增大,磁性增强,并且掺杂体系体积增加,总能量下降,形成能减小,掺杂体系更稳定,同时,掺杂ZnO体系的最小光学带隙增宽,吸收带边向低能级方向移动.上述计算结果与实验结果一致.     

First-principles study of the effect of heavy Ni doping on the electronic structure and absorption spectrum of wurtzite ZnO

The band structures, densities of states and absorption spectra of pure ZnO and two heavily Ni doped supercells of Zn_0.9722Ni_0.0278O and Zn_0.9583Ni_0.0417O have been investigated using the first-principles plane-wave ultrasoft pseudopotential method based on the density functional theory. The calculated results showed that the band gap is narrowed by Ni doping in ZnO; this, is because the conduction band undergoes a greater shift toward the low-energy region than the valence band and because heavier doping concentrations lead to, narrower band gaps. Moreover, the optical absorption edge exhibits a redshift due to the narrowing of the band gap. Heavier doping concentrations leads to more significant redshifts, which is in agreement with the experimental results.     

纳米CeO2-xNx固溶体的光谱特征对其催化性能影响研究

二氧化铈(CeO₂)具有储量丰富，价格低廉，催化性能优异等特性而得到广泛应用。通过在其晶格中掺杂其他离子制得CeO₂固溶体，可以进一步调控CeO₂的晶格大小，增加晶格缺陷浓度，从而有效提高催化性能。目前研究较多的掺杂离子多为金属阳离子，而对非金属阴离子掺杂的研究尚有待深入探索。本文以CO(NH₂)₂为N源，采用水热法合成不同N掺杂浓度的纳米CeO_2-xN_x固溶体(x=0.00，0.05，0.10，0.15，0.20)，系统对固溶体的微观结构及光谱特征进行表征。X射线衍射(XRD)结果表明，所有掺杂浓度的CeO_2-xN_x固溶体均呈萤石立方单相结构。与纯CeO₂相比，N含量为0.05时样品的晶胞参数显著增大，而随掺杂浓度的进一步增加，晶胞参数又呈现出逐渐减小的趋势。拉曼(Raman)测试表明，N掺杂样品的F_2g振动模式峰向高波数移动，其原因是由于当N3-取代部分O2-后，Ce4+周围出现Ce—N键，Ce—N键长因静电引力变强而缩短，从而引起峰位的移动。通过紫外可见吸收光谱(UV-Vis)分析掺杂所引起样品电子跃迁状态的改变，发现N元素的掺杂使CeO₂在可见光区域具有了吸光性能，CeO_2-xN_x固溶体的能隙明显减小，这是由于N(2p)与O(2p)的电子轨道发生交互作用而形成中间能级，使得电子跃迁所需能量降低，从而引起能隙的红移。荧光光谱(PL)测试表明，发射峰强度随N掺杂浓度的增大而增大，其原因一方面是由于N掺杂会引起晶格缺陷及氧空位比例的提升，发生带间跃迁的几率变大，进而提高发射峰的相对强度；另一方面，N的掺杂在价带O(2p)与导带Ce(4f)间形成中间能带，同样会导致发射峰变强。为表征纳米固溶体的催化特性，分别选取N掺杂量最小的CeO_1.95N_0.05与N掺杂量最高的CeO_1.80N_0.20以及纯CeO₂作为典型催化剂，采用球磨法制备Mg₂Ni/Ni/CeO_2-xN_x复合材料，系统分析了复合材料电极的储氢动力学性能。交流阻抗(EIS)测试发现，催化剂可以有效提高储氢合金的表面电荷转移活性，N掺杂量越高，CeO₂基固溶体的催化活性越强；动电位极化曲线测试表明，掺杂催化剂也能显著提高H原子在合金内部的扩散速率，且CeO_1.95N_0.05较CeO_1.80N_0.20具有更好的催化活性。催化机理主要从催化剂的微观结构及光谱特征进行分析，如前所述，随着N含量的提高，CeO₂固溶体晶格中的氧空位比例增大，晶格畸变程度提高，N的掺杂还使固溶体的电子跃迁能隙降低，从而有利于电子在合金表面的迁移；同时，纳米材料的晶粒尺寸越小，表明晶粒表面缺陷比例越大，说明催化剂的活性增强，因此表现为N掺杂浓度越高，复合材料电极交流阻抗弧半径的越小，即CeO_1.80N_0.20可以更加有效提高复合材料的表面活性；另一方面，若催化剂的晶胞体积增大，可使H原子在穿过材料表面的传输过程中具有更大的空间，由于CeO_1.95N_0.05的晶胞参数大于CeO_1.80N_0.20催化剂，故H原子通过催化剂进入合金内部的传输更加容易。H原子在合金内部的扩散速率与催化剂的晶胞参数或晶胞体积的大小密切相关。     

(Cu,N)共掺杂TiO2/MoS2异质结的电子和光学性能:杂化泛函HSE06

在密度泛函理论的基础上,系统地研究了Cu/N（共）掺杂的TiO₂/MoS₂异质结体系的几何结构、电子结构和光学性质.计算发现,TiO₂/MoS₂异质结的带隙相比于纯的TiO₂（101）表面明显变小,Cu/N（共）掺杂TiO₂/MoS₂异质结体系的禁带宽度也明显地减小,这导致光子激发能量的降低和光吸收能力的提高.通过计算Cu/N（共）掺杂TiO₂/MoS₂的差分电荷密度,发现光生电子与空穴积累在掺杂后的TiO₂（101）表面和单层MoS₂之间,这表明掺杂杂质体系可以有效地抑制光生电子-空穴对的复合.此外,我们计算了在不同压力下TiO₂/MoS₂异质结的几何、电子和光学性质,发现适当增加压力可以有效提高异质结的光吸收性能.本文结果表明,Cu/N（共）掺杂TiO₂/MoS₂异质结和对TiO₂/MoS₂异质结加压都能有效地提高材料的光学性能.