(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.     

稀土(La/Ce/Pr/Nd)掺杂锐钛矿相TiO_2磁性及光催化活性的第一性原理研究

采用密度泛函理论下的平面波赝势方法,建立了未掺杂锐钛矿TiO_2和La/Ce/Pr/Nd单掺杂的锐钛矿TiO_2模型.几何优化后,通过计算形成能分析了掺杂结构的稳定性;通过自旋电子态密度的计算分析了各个掺杂模型的磁性状态,并采用比较磁性基态能量的方法对分析结果加以验证;讨论了各稀土元素掺杂对锐钛矿能带结构和吸收光谱的影响.结果表明:La/Pr掺杂的锐钛矿TiO_2具有亚铁磁性,Nd掺杂的锐钛矿具有反铁磁性,Ce掺杂锐钛矿为顺磁体;Ce掺杂对锐钛矿能带结构影响较小,吸收光谱红移不明显,而La/Nd掺杂则能有效提升锐钛矿对可见光的吸收系数,Pr掺杂能使锐钛矿TiO_2在红外光区出现吸收峰.     

碳纳米管/二硒化钼有机玻璃的非线性吸收、非线性散射和光限幅特性

MoSe₂的禁带宽度较窄（1.1–1.5 eV）,且具有可调谐的激子光电效应,这样使其在光致发光、光电晶体管、太阳能电池和光学非线性等方面具有潜在的应用价值.然而,纯的MoSe₂的光生电子空穴复合率较高,限制了其在某些光学领域中的应用.通过设计MoSe₂的复合材料,可以降低材料的光生电子空穴复合率,从而扩展其应用领域.首先,通过热溶剂法合成CNT/MoSe₂复合材料;然后,通过浇铸法将其分散在甲基丙烯酸甲酯（MMA）中制备成有机玻璃,其中MMA会聚合成聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）,并利用改进的Z-扫描技术首次对CNT/MoSe₂/PMMA有机玻璃的非线性吸收、非线性散射和光限幅特性进行了研究.研究表明,随着输入能量的变化,通过调节输入能量,CNT/MoSe₂/PMMA有机玻璃表现出饱和吸收（SA）和从SA到反饱和吸收的转变.结合材料特性及应用条件要求,可以得到CNT/MoSe₂/PMMA有机玻璃在光学设备,如光学限制器和锁模/调Q激光器等方向具有较好的应用前景.     

Na_2Ge_2Se_5电子结构和光学性质的第一性原理研究

Na_2Ge_2Se_5是一种优异的红外非线性晶体材料.采用基于第一性原理的密度泛函理论赝势平面波方法对Na_2Ge_2Se_5进行结构优化,并以此为基础计算研究了Na_2Ge_2Se_5的电子结构和光学性质.结果表明:Na2Ge2Se5是宽禁带间接带隙半导体,价带至导带的电子跃迁主要来自于Ge和Se的48,4p态;Na对光学性质的贡献较小,Ge和Se之间的相互耦合作用决定了Na_2Ge_2Se_5的光学性质;该晶体在紫外区有强烈的反射和吸收,静态折射率为2.133,双折射率值适中,为0.145.理论计算结果表明,Na_2Ge_2Se_5是一种性能优良的红外非线性光学晶体材料.     

羧酸型聚芴/二氧化钛杂化材料的制备及其荧光猝灭行为

通过Suzuki偶合反应合成了聚[9,9-二辛基芴-9,9-双(丙酸基)芴](PF8COOH),并采用溶胶-凝胶法制备了羧酸型聚芴/二氧化钛(TiO₂)杂化材料。通过核磁共振氢谱(¹H NMR)、凝胶渗透色谱(GPC)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、X射线衍射(XRD)和荧光发射光谱对聚合物及其杂化材料进行了表征,并研究了杂化材料的荧光猝灭行为。结果表明,所合成的PF8COOH数均分子量为19 600,PF8COOH的紫外-可见吸收和荧光发射光谱较聚(9,9-二辛基芴)(PF8)均发生红移。通过溶胶-凝胶法制得了PF8COOH/TiO₂杂化材料,其中TiO₂主要为金红石型。杂化材料出现明显的荧光猝灭现象,TiO₂含量越大则杂化材料的荧光猝灭现象越明显。羧基的引入可使聚芴与TiO₂之间的相互作用增强,电子更容易从聚芴向TiO₂转移,因而PF8COOH/TiO₂杂化材料的荧光猝灭现象比PF8/TiO₂杂化材料更明显。     

一种新的基于频域有限差分方法的小周期有机太阳能电池的光电特性

由MoO₃/Ag/MoO₃ （MAM）组成的多层膜结构非常有希望替代ITO作为有机太阳能电池中的透明阳极.然而,基于MAM结构的有机太阳能电池光吸收能力较弱.为此,引入了一种小周期短节距金属光栅,利用表面等离子激元增强活性层的光吸收.借助于频域有限差分方法求解麦克斯韦方程和半导体方程,探讨了有机太阳能电池结构的光学和电学性质.分析结果表明：与平面结构相比,活性层中的光吸收大大提高;同时,当凹槽宽度为4 nm,能量转换效率提高了49%.相关结果有助于更好地开发和利用无ITO层的有机太阳能电池.     

Scanning the optical characteristics of lead-free cesium titanium bromide double perovskite nanocrystals

Cs₂TiBr₆ nanocrystals (NCs) are a type of promising optoelectronic materials, owing to their high photoelectric properties and non-toxicity. Here, we synthesize the colloidal Cs₂TiBr₆ NCs using a hot-injection approach. The temperature-dependent absorption data shows that its energy band changes about 30 meV with temperature, reflecting that its energy band structure is much stable. The excitation intensity-dependent transient absorption data confirms its linear absorption cross-sections and carrier recombination rate constants, involving monomolecular and bimolecular recombination, which are all superior to those of conventional perovskite bromide counterparts. In addition, its nonlinear absorption cross-sections are also measured based on femtosecond Z-scan. Our results suggest that Cs₂TiBr₆ NCs can be extensively applied in the field of optoelectronics, owing to its excellent carrier dynamics and nonlinear optical properties.     

Pr高掺杂浓度对锐钛矿TiO_2的带隙和吸收光谱影响的研究

目前,Pr掺杂对锐钛矿TiO2带隙和吸收光谱研究结果存在相反的结论,红移和蓝移两种实验结果都有文献报道.为解决这个矛盾,本文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,对纯的和不同浓度Pr高掺杂锐钛矿TiO2的电子结构和吸收光谱进行了计算.计算结果表明,与纯锐钛矿TiO2相比较,Pr掺杂后,掺杂量越增加,掺杂体系各原子电荷量越减小,掺杂体系总能量越高,形成能越大,稳定性越下降,带隙越窄,吸收光谱红移现象越显著,吸收强度越强.计算结果与实验结果相一致.     

Electronic and optical properties of 3N-doped graphdiyne/MoS2 heterostructures tuned by biaxial strain and external electric field

The construction of van der Waals (vdW) heterostructures by stacking different two-dimensional layered materials have been recognised as an effective strategy to obtain the desired properties. The 3N-doped graphdiyne (N-GY) has been successfully synthesized in the laboratory. It could be assembled into a supercapacitor and can be used for tensile energy storage. However, the flat band and wide forbidden bands could hinder its application of N-GY layer in optoelectronic and nanoelectronic devices. In order to extend the application of N-GY layer in electronic devices, MoS₂ was selected to construct an N-GY/MoS₂ heterostructure due to its good electronic and optical properties. The N-GY/MoS₂ heterostructure has an optical absorption range from the visible to ultraviolet with a absorption coefficient of 10⁵ cm^-1. The N-GY/MoS₂ heterostructure exhibits a type-Ⅱ band alignment allows the electron-hole to be located on N-GY and MoS₂ respectively, which can further reduce the electron-hole complexation to increase exciton lifetime. The power conversion efficiency of N-GY/MoS₂ heterostructure is up to 17.77%, indicating it is a promising candidate material for solar cells. In addition, the external electric field and biaxial strain could effectively tune the electronic structure. Our results provide a theoretical support for the design and application of N-GY/MoS₂ vdW heterostructures in semiconductor sensors and photovoltaic devices.     

Dual-function terahertz metasurface based on vanadium dioxide and graphene

A dual-function terahertz metasurface based on VO₂ and graphene is proposed in this paper. It consists of a gold layer embedded with VO₂ patches, a SiO₂ spacer layer, a VO₂ layer, graphene and a SiO₂ spacer substrate. When the bottom VO₂ layer is in the metallic state, the designed metasurface can achieve absorption. When the top VO₂ patches are in the metallic state, the proposed metasurface can be used as a single-band absorber with terahertz absorptance of 99.7% at 0.736 THz. When the top VO₂ patches are in the insulating state, the designed structure behaves as a dual-band absorber with an absorptance of 98.9% at 0.894 THz and 99.9% at 1.408 THz. In addition, the absorber is polarization insensitive and keeps good performance at large angles of incidence. When the bottom VO₂ is in an insulating state, the metasurface shows electromagnetically induced transparency. The transparent window can be dynamically regulated by controlling the chemical potential of graphene. The proposed metasurface exhibits the advantages of terahertz absorption, electromagnetically induced transparency and dynamic control, which provides more options for the design of terahertz devices in the future.     

1.572μm附近CO_2吸收光谱的测量

应用自行构建的恒温差分吸收光谱探测系统,在230—320 K的温度范围内,精确探测1.572μm附近CO_2吸收谱线的变化,获得了不同温度和压强下CO_2气体的吸收截面、自增宽系数、空气增宽系数,这些参数补充和完善了现有的数据库.定量分析了温度、压强对谱线的影响,建立了光学厚度和吸收截面的数值计算模型,并已经用于我国的CO_2激光雷达,为其高精度数据反演奠定了技术基础.这些工作能够提高工作在该波段的差分吸收CO_2探测激光雷达的反演精度.     

热分解含硫金属有机配合物制备近红外PbS量子点

以Pb(NO₃)₂, Na(S₂CNEt₂)·3H₂O为反应物, 在去离子水中合成含硫金属有机配合物Pb(S₂CNEt₂)₂. 氩气保护下, 在油酸和十八烯混合溶液中热分解前躯体Pb(S₂CNEt₂)₂, 反应时间分别为30, 60, 90, 120 min, 获得PbS量子点样品a, b, c, d. 通过红外光谱分析和热重-差热等手段对前躯体进行表征, 证明配体Na(S₂CNEt₂)·3H₂O中的两个硫原子与Pb²⁺配位成功. PbS量子点样品X射线衍射和透射电子显微镜分析表明, 合成的PbS为类球形纯立方晶系PbS纳米晶; 对PbS量子点样品紫外-可见吸收光谱和光致发光谱进行研究发现, 吸收光谱和光致发光谱随着反应时间的增加顺序红移, 表明优化热分解反应时间可以调控PbS量子点的吸收光谱和光致发光谱. PbS量子点样品a发射峰在1080 nm, 与硅基太阳能电池相匹配, 可作为硅基荧光太阳能聚集器的荧光材料. 关键词： 热分解法 含硫金属有机配合物 PbS量子点 反应时间     

基于可调谐激光吸收光谱技术的二硫化碳中红外光谱参数测量

采用4.6μm附近的量子级联激光器作为光源,搭建了一套二硫化碳(CS2)吸收光谱测量系统,结合可调谐二极管激光吸收光谱技术,对光谱范围为2178.99—2180.79 cm-1的CS2吸收光谱展开了深入研究,重点测量了2180.5—2180.74 cm~(-1)的四条吸收谱线,利用基于非线性最小二乘的多元线性回归算法对CS2吸收光谱进行拟合,精确得到了该范围内谱线的中心波长、线强以及空气展宽系数等光谱参数.经计算,对应谱线线强不确定度小于5%,空气展宽系数不确定度小于15%,这个结果可作为免标定CS2红外光谱探测的基础光谱参数,对痕量CS2气体传感具有重要意义.未来我们将进一步开展2170—2200 cm-1整个谱段的CS2谱线参数的测量,以期填补其在HITRAN和GEISA数据库光谱参数的空白.     

温度压强对CO_2吸收光谱的影响

为了提高差分吸收CO2探测激光雷达的反演精度,本文采用可调谐半导体激光吸收光谱技术,利用双光路差分实验系统,在不同温度和压强下精确探测了CO2吸收谱线(1.572μm附近)的精细结构,分析了吸收光谱谱型的变化差异,获得了5个温度(287K,297K,311K,315K,324K)的压力增宽系数和吸收截面,推算出了CO2的温度相关指数.这些参数是对现有数据库的补充和完善,确保差分吸收CO2探测激光雷达的精确反演,从而提高其探测能力.     

TiO2禁带宽度和光吸收系数对其光催化性能的影响

为了研究TiO₂禁带宽度和光吸收系数对其光催化性能的影响,使用Materials Studio的Dmol3和CASTEP模块分别对Ag⁺、Fe³⁺、Pt⁴⁺、La³⁺ 4种金属离子掺杂TiO₂的能带结构和光学性质进行分析。分子模拟表明:金属离子掺杂使TiO₂的禁带宽度变窄、吸收波长红移,相同光照条件下光吸收系数增加,影响了TiO₂的光催化性能。光催化反应实验表明:在254 nm照射条件下,TiO₂的禁带宽度为1.09 eV时光催化性能最好,TiO₂的光吸收系数越大,光催化性能越好。     

具有氧空位Bi_xWO_6(1.81≤x≤2.01)的第一性原理计算和光催化性能研究

为了探索影响Bi_2WO_6光催化性能的内在机制,采用密度泛函理论(DFT)计算和实验研究了非化学计量和氧空位对Bi_2WO_6晶体结构、电子结构和显微结构的影响.采用溶剂热法合成了具有氧空位的非化学计量Bi_xWO_6(x=1.81,1.87,1.89,1.92,2.01)光催化剂.DFT计算结果表明,氧空位的存在可显著减小Bi_2WO_6的带隙,有利于光生电子的生成.实验结果表明,当Bi元素的含量小于化学计量比时,Bi_2WO_6的晶体结构发生了微小变形,Bi元素含量对Bi_2WO_6的显微结构影响不大,但会影响产品氧空位的含量和光吸收性能,并有效抑制电子空穴的复合.Bi_(1.89)WO_6产品的光催化性能最佳,可见光照射180 min后,可降解98%的罗丹明B.采用适当方法,使产品具有氧空位和非化学计量是获得高光催化活性材料的一种有效方法.     

铕掺杂纳米二氧化钛透明光触媒乳液的制备及光催化性能研究

本文采用常温络合—控制水解法,以TiCl_4,有机羧酸,氨水,硝酸铕,D-山梨醇等为主要实验药品,制备了Eu掺杂纳米TiO_2光触媒乳液。以酸性红3R染料为待降解物,分别考察了不同条件下制备的TiO_2光触媒乳液在太阳光模拟器生成光照射下的光催化性能。此外,还考察了Eu掺杂纳米二氧化钛透明光触媒乳液对于不同浓度染料的光催化性能。通过酸性红3R染料的降解实验,研究了影响Eu掺杂纳米二氧化钛透明光触媒乳液光催化活性的因素。通过X射线衍射仪(XRD)、纳米激光粒度分析仪、紫外可见分光光度计(UV-Vis)等对样品进行表征。结果表明:样品的平均粒度为4.1 nm左右,晶型为锐钛矿,样品的吸收光谱可拓宽至可见光区。当Eu掺杂量为0.3%,pH值为6,回流时间是15 min时,制备的Eu掺杂纳米二氧化钛光触媒乳液的光催化性能最佳。该光触媒乳液经太阳光照射1 h之后,对浓度为25 mg/L的酸性红3R模型反应物的降解效率最高,达到97%以上。     

腔增强吸收光谱技术中的腔镜反射率标定方法研究

腔增强吸收光谱技术具有实验装置相对简单、灵敏度高、环境适应性强等特点,是高灵敏吸收光谱技术的重要分支之一,在其应用过程中,腔镜反射率是影响其测量准确性的重要因素。利用2.0 μm可调谐二极管激光器作为光源搭建了一套腔增强吸收光谱测量系统,使用两片反射率为99.9%的高反镜作为腔镜,以CO₂气体在5 001.49 cm-1处的吸收谱线作为研究目标,对两种简单实用的腔镜反射率标定方法进行了对比研究。第一种标定方法利用已知程长多通池作为参考池,通过测量谐振腔和多通参考池的输出吸收信号,比较二者的吸收率推导出腔增强系统中的有效吸收路径,然后通过镜片反射率和有效吸收路径的关系对腔镜反射率进行标定;第二种标定方法根据理想气体状态方程得到气体分子数密度,并结合数据库中的谱线线强值,实现了对腔镜反射率进行标定。结果表明,方法一中积分腔与参考池测得信号的积分吸收面积之比为10.5,经过多次测量并计算得到积分腔的有效吸收路径与镜片的反射率分别为302.65 m和99.85%,得到大气中CO₂气体的浓度为0.037 3%,与实际大气CO₂的含量相符合,验证了此方法的准确性;该方法的优点是不受样品浓度影响,但因引入新的参考池,需要两池中气体的压强和温度都保持一致,此方法适用于开放式的腔体结构。方法二中测得大气中CO₂分子位于5 001.49 cm-1处吸收光谱,并结合大气中CO₂气体的分子数密度N为9.099×1015 molecule·cm-3,Hitran数据库中该条谱线线强为3.902×10-22 cm·molecule-1,计算得到镜片反射率约为99.84%;此方法优点是结构相较前一种方法更简单,但需要已知被测气体的分子数密度,因此在配置气体的过程中浓度、压力的误差会影响腔镜反射率的标定。由此可见两种镜片标定方法均可精确实现对腔镜反射率的标定,根据两种方法的特点,在实际应用中可选取相应适合的方法作为参考。     

(InAs)1/(GaSb)1超晶格原子链的第一原理研究

利用第一原理平面波赝势法, 对(InAs)₁/(GaSb)₁超晶格原子链的原子结构、力学特性、电子能带结构、 声子结构和光学特性进行研究, 并结合密度泛函理论数值原子轨道赝势法和非平衡格林函数法计算量子输运特性. 与二维层结构的(InAs)₁/(GaSb)₁超晶格相比, (InAs)₁/(GaSb)₁超晶格原子链的能带结构有明显不同, 在某些情况下表现为金属能带特性. 对理想条件下(InAs)₁/(GaSb)₁ 超晶格原子链的力学强度计算表明, 该结构可承受的应变高达 ε=0.19. 通过对声子结构的完整布里渊区分析, 研究了(InAs)₁/(GaSb)₁超晶格原子链的结构稳定性. 对两端接触电极为Al纳米线的InAs/GaSb超晶格原子链的电子输运特性计算表明, 电导随链长和应变的改变而发生非单调变化.光吸收谱的计算结果表现出在红外波段具有陡峭吸收边, 截止波长随超晶格原子链的结构而变化.预计InAs/GaSb超晶格原子链可应用于红外光电子纳米器件, 通过改变超晶格原子链的结构来调节光电响应波段.     

Bi_xBa_(1-x)TiO_3电子及能带结构的第一性原理研究

采用基于第一性原理的赝势平面波方法,研究了ABO_3钙钛矿复合氧化物BaTiO_3中A位离子被Bi原子取代后对其构型、电子及能带结构的影响.计算结果表明,Bi取代Ba之后会降低BaTiO_3的对称性,空间点群随着取代量的变化而变化,结合能逐渐降低.通过能带结构的计算发现Bi_xBa_(1-x)TiO_3为直接带隙型半导体.Bi的取代可调节Bi_xBa_(1-x)TiO_3的禁带宽度,从x=0.125到x=0.625时,Bi的取代量越大,其带隙越宽,吸收光谱蓝移.x0.625时,禁带宽度又逐渐减小,吸收光谱红移.由态密度图可看出,其价带顶主要是O-2p与Bi-6s态杂化而成,导带底主要由Ti-3d态构成.