相变及空位缺陷对AlN在高压下光学性质的影响

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法, 计算了AlN理想晶体和含铝、氮空位点缺陷晶体在100 GPa压力范围内的光学性质. 波长在532 nm处的折射率计算结果表明：AlN从纤锌矿结构相转变为岩盐矿结构相将导致其折射率增加; 铝空位缺陷将引起AlN岩盐矿结构相的折射率增大, 而氮空位缺陷却导致其折射率降低. 能量损失谱计算数据指明：结构相变使得AlN能量损失谱蓝移、主峰峰值强度增强;铝和氮空位缺陷将导致AlN岩盐矿结构相的能量损失谱主峰进一步蓝移、峰值强度再次增强. 计算预测的结果将为进一步的实验探究提供理论参考.     

碘化铟晶体本征缺陷的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,对正交碘化铟（InI）晶体可能存在的6种本征点缺陷（碘空位、铟空位、碘占铟位、铟占碘位、碘间隙、铟间隙）结构进行优化. 通过缺陷形成能的计算,得出各缺陷在生长过程中形成的难易程度;通过态密度的计算,分析出各种缺陷能级位置及其对载流子传输的影响. 结果表明：最主要的低能缺陷铟间隙会引入复合中心和深空穴陷阱,前者降低少数载流子的寿命,后者俘获价带的空穴而降低空穴的迁移率-寿命积. 计算结果为实验中提高InI 晶体载流子的迁移率-寿命积提供理论指导,对获得性能优异的InI核辐射探测材料有重要帮助. 关键词： 碘化铟 形成能 缺陷能级 深空穴陷阱     

石墨烯吸附钛原子的第一性原理计算

基于密度泛函理论研究了单个钛原子分别位于本征石墨烯(GR)、点缺陷石墨烯(包括空位石墨烯(DGR)和氮掺杂石墨烯(N-GR))薄片表面的吸附机理.通过计算钛原子在本征石墨烯表面不同位置时的吸附结构和吸附能,发现最稳定吸附位置是碳六元环的中心;计算了各个吸附体系的吸附能、态密度和差分电荷密度,研究表明三个吸附体系碳钛间均产生了电子轨道杂化,掺氮后的石墨烯对钛原子的吸附性能略微增强,而空位石墨烯对钛的吸附能是本征石墨烯的4倍,费米能级附近电子态局域化程度最大,吸附效果最好.     

石墨烯吸附钛原子的第一性原理研究

基于密度泛函理论研究了单个钛原子分别位于本征石墨烯GR、点缺陷石墨烯（包括空位石墨烯DGR和氮掺杂石墨烯N-GR）薄片表面的吸附机理。通过计算钛原子在本征石墨烯表面不同位置时的吸附结构和吸附能,发现最稳定吸附位置是碳六元环的中心;计算了各个吸附体系的吸附能、态密度和差分电荷密度,研究表明三个吸附体系碳钛间均产生了电子轨道杂化,掺氮后的石墨烯对钛原子的吸附性能略微增强,而空位石墨烯对钛的吸附能是本征石墨烯的4倍,费米能级附近电子态局域化程度最大,吸附效果最好。     

KDP晶体本征中性点缺陷的第一性研究

 用第一性原理研究了KH2PO4(KDP)晶体中性本征点缺陷的形成能并计算了常温下点缺陷的浓度。计算得到中性填隙氢原子的形成能为2.05 eV,进而得到298 K下的浓度约为1.21×10^-17 mol/L。由于填隙氢原子在带隙中形成缺陷能级,并使能隙降低了2.6 eV, 因此消除填隙氢原子有利于提高晶体在355 nm附近的激光损伤阈值。计算得到的氧间隙、氧空位、钾空位和氢空位的形成能分别为0.60、5.25、6.50 和6.58 eV,常温下它们在晶体中也以较高的浓度存在。钾空位使晶胞体积增大约3.2%,并可能提高晶体电导率,从而降低光损伤阈值。P取代K的反位结构缺陷形成能尽管较低(4.1 eV), 但由于晶体生长溶液中P是以PO4四面体的形式存在,故此点缺陷的存在几率很小。     

点缺陷对单层MoS_2电子结构及光学性质的影响研究

采用基于第一性原理的贋势平面波方法,对不同类型点缺陷单层Mo S2电子结构、能带结构、态密度和光学性质进行计算.计算结果表明:单层Mo S2属于直接带隙半导体,禁带宽度为1.749e V,Mo空位缺陷V-Mo的存在使得单层Mo S2转化为间接带隙Eg=0.660e V的p型半导体,S空位缺陷V-S使得Mo S2带隙变窄为Eg=0.985e V半导体,S原子替换Mo原子S-Mo反位缺陷的存在使得Mo S2转化为带隙Eg=0.374e V半导体;Mo原子替换S原子Mo-S反位缺陷形成Eg=0.118e V直接带隙半导体.费米能级附近的电子态密度主要由Mo的4d态和s的3p态电子贡献.光学性质计算表明:空位缺陷对Mo S2的光学性质影响最为显著,可以增大Mo S2的静态介电常数、折射率n0和反射率,降低吸收系数和能量损失.     

金红石型TiO_2中四种点缺陷态研究

利用第一性原理计算方法研究了金红石型TiO_2中四种缺陷的电子态.这四种缺陷包括氧空位(O_v)、钛空位(Ti_V)、钛间隙(Ti_S)以及氧空位O_v与钛间隙态Ti_S共存态.氧空位的存在导致禁带内施主缺陷能级较浅,而深施主能级与Ti间隙态有关.预测了氧空位更倾向于与钛间隙结合,主要通过钛间隙态的3d电子部分转移到近邻近氧空位的部分形成O_V-Ti_S对缺陷.具有O_v、Ti_S或O_V-Ti_S缺陷的体系都出现间隙态,促进体系出现红外吸收.     

点缺陷对单层MoS2电子结构及光学性质的影响研究

采用基于第一性原理的贋势平面波方法,对不同类型点缺陷单层MoS2电子结构、能带结构、态密度和光学性质进行计算。计算结果表明：单层MoS2属于直接带隙半导体,禁带宽度为1.749ev,V-Mo缺陷的存在使得MoS2转化为间接带隙Eg=0.671eV的p型半导体,V-S缺陷MoS2的带隙变窄为Eg=0.974eV,S-Mo缺陷的存在使得MoS2转化为间接带隙Eg=0.482eV; Mo-S缺陷形成Eg=0.969eV直接带隙半导体,费米能级上移靠近价带。 费米能级附近的电子态密度主要由Mo的4d态和s的3p态电子贡献。光学性质计算表明：空位缺陷对MoS2的光学性质影响最为显著,可以增大MoS2的静态介电常数、折射率n0和反射率,降低吸收系数和能量损失。     

Al辐照损伤初期的第一性原理研究

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波赝势方法,对Al辐照损伤初期产生的本征点缺陷和He缺陷进行了研究.通过晶体结构、缺陷形成能和结合能,分析比较了缺陷形成的难易程度及对晶体稳定性的影响,并从态密度、差分电荷密度和电荷布居的角度,分析了其电子机理.结果表明:对于同类型的缺陷,其造成的晶格畸变越大,体系稳定性越低,缺陷形成的难度越大.同类型缺陷形成的难易程度由易到难依次为空位(置换位原子)、八面体间隙原子和四面体间隙原子,但相同位置的本征缺陷的形成难度小于He缺陷.间隙原子容易与空位结合,且Al原子与空位结合的能力强于He原子.间隙Al原子和He原子主要存在于八面体,且缺陷原子引起部分电子向更高能级转移,并导致与其最邻近的Al原子之间的共价作用减弱,从而降低了体系稳定性.间隙Al原子与最邻近的Al原子之间产生了强烈的共价作用,而He原子和最邻近Al原子之间主要为范德瓦耳斯力和较弱的离子键,这是含He缺陷的体系稳定性更低的重要原因.     

闪锌矿结构AlSb空位缺陷性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)第一性原理的平面波超软赝势方法，计算含有锑空位和铝空位的电子结构，发现空位引起周围原子弛豫，晶体结构发生畸变。在此基础上研究了空位缺陷对闪锌矿型AlSb体系电子结构的影响，结果表明，铝空位缺陷使锑化铝费米能级降低，带隙变窄；而锑空位缺陷则使锑化铝费米能级升高，带隙变窄，同时，锑化铝的半导体类型由p型变为n型。对光学性质的研究发现，由于空位的引入使其邻近原子电子结构发生变化，使得空位缺陷系统光学性质的变化主要集中在低能量区域。     

First principle study of nitrogen vacancy in aluminium nitride

In the framework of density functional theory, using the plane-wave pseudopotential method, the nitrogen vacancy ($V_{\rm N})$ in both wurtzite and zinc-blende AlN is studied by the supercell approach. The atom configuration, density of states, and formation energies of various charge states are calculated. Two defect states are introduced by the defect, which are a doubly occupied single state above the valance band maximum (VBM) and a singly occupied triple state below the conduction band minimum (CBM) for wurtzite AlN and above the CBM for zinc-blende AlN. So $V_{\rm N}$ acts as a deep donor in wurtzite AlN and a shallow donor in zinc-blende AlN. A thermodynamic transition level $E({3 + } \mathord{\left/ {\vphantom {{3 + } + }} \right. \kern-\nulldelimiterspace} + )$ with very low formation energy appears at 0.7 and 0.6eV above the VBM in wurtzite and zinc-blende structure respectively, which may have a wide shift to the low energy side if atoms surrounding the defect are not fully relaxed. Several other transition levels appear in the upper part of the bandgap. The number of these levels decreases with the structure relaxation. However, these levels are unimportant to AlN properties because of their high formation energy.     

First-Principles Study on Native Defect Complexes in InN

We present first-principles calculations of the formation energy of different native defects and their complexes in wurtzite InN using density-functional theory and the pseudopotential plane-wave method. Our calculations are aimed in the three cases： N/In = 1, N/In 〉 1 （N-rich）, and N/In 〈 1 （In-rich）. Our results indicate that the antisite defect has the lowest formation energy under N/In = 1. The formation energy of nitrogen interstitial （nitrogen vacancy） defect is significantly low under the N-rich （In-rich） condition. Thus the antisite defect is an important defect if N/In = 1, and the nitrogen interstitial （nitrogen vacancy） defect is a vital defect under the N-rich （In-rich） condition. The atomic site relaxation around the nitrogen interstitial and vacancy is investigated. Our calculations show that the nitrogen vacancy cannot be observed although it is one of the most important defects in InN. Our results are confirmed by experiments.     

嵌入原子法研究Ni3Al中点缺陷以及Re择优占位和集团化

基于纯金属元素Ni，Al和Re的基本物理性质，建立了一个Ni-Al-Re三元体系的分析型嵌入原子多体势.结合分子动力学计算了Ni₃Al的平衡晶格常数、弹性模量、结合能、空位形成能以及反位置缺陷形成能，并分析了Ni₃Al中点缺陷的存在形式.计算结果表明，当成分偏离理想化学配比时出现反位置缺陷.同时研究了Re在Ni₃Al中的择优占位以及Re在Ni₃Al和Ni中的集团化行为.计算结果表明，Re在Ni₃Al中优先置换Al的位置，且发现当Re原子团的尺寸接近于11?时，Re原子团的长大趋势变弱.计算结果与实验以及其他的理论计算结果相符合. 关键词： 嵌入原子势 3Al')" href="#">Ni₃Al Re 占位 集团化     

掺杂GaN/AlN超晶格第一性原理计算研究

第一性原理计算方法在解释实验现象和预测新材料结构及其性质上有着重要作用. 因此, 通过基于密度泛函理论的第一性原理的方法, 本文系统地研究了Mg和Si掺杂闪锌矿和纤锌矿两种晶体结构的GaN/AlN超晶格体系中的能量稳定性以及电学性质. 结果表明: 在势阱层(GaN 层)中, 掺杂原子在体系中的掺杂形成能不随掺杂位置的变化而发生变化, 在势垒层(AlN层)中也是类似的情况, 这表明对于掺杂原子来说, 替代势垒层(或势阱层)中的任意阳离子都是等同的; 然而, 相比势阱层和势垒层的掺杂形成能却有很大的不同, 并且势阱层的掺杂形成能远低于势垒层的掺杂形成能, 即掺杂元素(Mg_Ga, Mg_Al, Si_Ga和Si_Al)在势阱区域的形成能更低, 这表明杂质原子更易掺杂于结构的势阱层中. 此外, 闪锌矿更低的形成能表明: 闪锌矿结构的超晶格体系比纤锌矿结构的超晶格体系更易于实现掺杂; 其中, 闪锌矿结构中, 负的形成能表明: 当Mg原子掺入闪锌矿结构的势阱层中会自发引起缺陷. 由此, 制备以闪锌矿结构超晶格体系为基底的p型半导体超晶格比制备n型半导体超晶格需要的能量更低并且更为容易制备. 对于纤锌矿体系来说, 制备p型和n型半导体的难易程度基本相同. 电子态密度对掺杂体系的稳定性和电学性质进一步分析发现, 掺杂均使得体系的带隙减小, 掺杂前后仍然为第一类半导体. 综上所述, 本文内容为当前实验中关于纤锌矿结构难以实现p型掺杂问题提供了一种新的技术思路, 即可通过调控相结构实现其p型掺杂.     

新型半金属材料—Cr掺杂纳孔结构AlN的第一性原理研究

采用基于密度泛函的第一性原理,研究纳孔结构AlN的稳定性及Cr掺杂纳孔结构AlN的能带结构、态密度、磁矩等性质. 结果表明,纳孔结构AlN具有高于岩盐矿结构AlN的稳定性,并在一定压强条件下可实现纤锌矿AlN到纳孔结构AlN的转变;Cr掺杂纳孔结构AlN后,能带结构和态密度均显示半金属性特征; Al23CrN24和Al22Cr2N24的磁矩分别为3B、6B,进一步说明Cr掺杂纳孔结构AlN晶体是半金属铁磁体.     

Specific Features of the Quasilocal State Densities in the Presence of Defects in Media with Spatial Dispersion

The density of stationary quasilocal states of the continuous spectrum arising due to the presence of defects in a medium with spatial dispersion is analyzed. The influence of plane and point defects on the specific features of the spectral quasilocal state density is studied. It is demonstrated that the spectral density has a strict maximum caused by the quasilocal energy level arising in the system. For a plane defect, the energy of the quasilocal level is displaced from the resonance energy of total quasi-particle reflection from the defect. The influence of the quasilocal state on the electronic heat capacity in the presence of the point defect is analyzed.     

Si掺杂AlN的电子结构和光吸收

基于密度泛函理论第一性原理的平面波超软赝势法,研究了Si掺杂纤锌矿AlN的电子结构和光吸收性质。结果表明:杂质能级位于导带底附近,与Al 3p能级复合形成导带底,使系统发生Mott相变;Si掺杂后在2.02 eV附近出现新的吸收峰,从而改善系统在可见光区的吸收特性。     

Two-dimensional intrinsic ferromagnetism at nitride-boride interfaces

We predict theoretically novel two-dimensional interface ferromagnetism at AlN/MgB(2)(0001) using first-principles calculations, where the interface is employed as an ordered structure of spin sites instead of point defects. Although N dangling bonds are apparently saturated, interfacial states exhibit spin polarization. Hund's coupling of the two N p(∥) orbitals as well as low density of states at the Fermi energy contribute to strong band ferromagnetism. Furthermore, first-principles electron transport calculations demonstrate that this interfacial spin polarization is responsible for quantum spin transport. The magnetization can be controlled by applied gate bias voltages.