Mg12O12纳米线掺杂3过渡金属元素的第一性原理计算研究

基于密度泛函第一性原理计算,系统研究了Mg12O12笼状团簇组装一维纳米线及其掺杂3d族元素体系的几何结构与电子结构。结果表明：Mg12O12团簇组装一维纳米线为非磁性半导体,带隙值为3.16 eV;掺杂Sc和V后,体系由半导体转变为金属;掺杂Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu后体系仍然保持半导体特性、但带隙值明显减小,而掺杂Zn时带隙值变化不大;掺杂V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu后纳米线具有磁性。     

3d过渡金属Co掺杂核壳结构硅纳米线的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了横截面为五边形和六边形的核壳结构硅纳米线的过渡金属Co原子替代掺杂.通过比较形成能发现,核心位置掺杂、壳层单链掺杂以及外壳层全替代掺杂的硅纳米线都具有稳定性,其中核心位置掺杂结构的稳定性最高.掺杂体系均呈现金属性,随着掺杂浓度的增加,电导通道数增加.Co原子掺杂的硅纳米线呈现铁磁性,具有磁矩.Bader电荷分析表明,电荷从Si原子转移至过渡金属Co原子.与自由态时过渡金属Co原子的磁矩相比,体系中Co原子的磁矩有所降低,这主要是由Co原子4s轨道向3d/4p轨道的电荷转移以及4s,3d,4p的上自旋电子转移至下自旋导致的.     

3d过渡金属元素掺杂Al12N12纳米线几何结构和电子性能的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,系统地研究了不同3d过渡金属元素(Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni)掺杂Al₁₂N₁₂纳米线的几何结构、稳定性和电子结构.结果表明：所有掺杂体系均是热力学稳定的;掺杂Ni时体系保留了原有的非磁性间接带隙半导体特性;当掺杂其它原子(Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co)时体系仍然保持为半导体,但带隙明显减小.掺杂过渡金属原子对于Al₁₂N₁₂纳米线的电子结构具有明显的调控作用,在能带调控和光电方面有潜在的应用前景.     

H掺杂α-Fe2O3的第一性原理研究

α-Fe₂O₃是一种重要的磁性半导体材料, 在电子器件中应用广泛, 具有重要的研究意义. 本文基于密度泛函理论, 采用GGA+U方法, 应用第一性原理对间隙H掺杂前后的六方相α-Fe₂O₃的晶格常数、态密度、Bader 电荷分布进行了计算分析. 研究了U值对结果的影响, 发现U=6 eV时, 体相α-Fe₂O₃的晶胞平衡体积、Fe原子磁矩、带隙值与实验值最符合. 在选取合适U值后, 第一性原理计算结果表明, H掺杂后, 间隙H部分被氧化, 其最近邻的Fe 和O部分被还原, H和O有一定程度的成键. 在费米面附近, 出现了新的杂化能级, 杂化能级扩展了价带顶的宽度, 同时导带底下移, 引起带隙减小, 表明H掺杂是一种有效的能带结构调控方法.     

3d过渡金属掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了纯锐钛矿相TiO₂及掺杂3d过渡金属TiO₂的几何、电子结构及光学性质. 计算结果表明掺杂能级的形成主要是掺杂过渡金属3d轨道的贡献，掺杂能级在禁带中的位置是决定TiO₂吸收带边能否出现红移的重要因素. Cr，Mn，Fe，Ni，Co，Cu掺杂使TiO₂的吸收带边产生红移，并在可见光区有一定的吸收系数； Sc，Zn掺杂使TiO₂的吸收带边产生蓝移，但在可见光区有较大的吸收系数；掺V不但使TiO₂的吸收带边产生红移，增强了在紫外光区的光吸收，而且在可见光区有非常大的吸收系数.     

Mn掺杂ZnO纳米线磁性质的第一性原理研究

本文采用第一性原理方法系统研究了Mn原子单掺杂和双掺杂ZnO纳米线的稳定性和磁性质.所有掺杂纳米线的束缚能都为负值,表明掺杂增强了纳米线的稳定性.表面掺杂纳米线显示了直接带隙半导体特性,而中间掺杂纳米线显示了间接带隙半导体特性.纳米线的总磁矩主要来源于Mn原子3d轨道的贡献.由于杂化,相邻的O原子和Zn原子也产生了少量自旋.在超原胞内,Mn原子和O原子磁矩平行排列,表明它们之间是铁磁耦合.     

过渡金属掺杂在Na0.5Bi0.5TiO3体系中诱导产生磁性的第一性原理研究

The origins of magnetism in transition-metal doped Na_0.5Bi_0.5TiO₃ system are investigated by ab initio calculations. The calculated results indicate that a transition-metal atom substitution for a Ti atom produces magnetic moments, which are due to the spin-polarization of transition-metal 3d electrons. The characteristics of exchange coupling are also calculated, which shows that in Cr-/Mn-/Fe-/Co-doped Na_0.5Bi_0.5TiO₃ system, the antiferromagnetic coupling is favorable. The results can successfully explain the experimental phenomenon that, in Mn-/Fe-doped Na_0.5Bi_0.5TiO₃ system, the ferromagnetism disappears at low temperature and the paramagnetic component becomes stronger with the increase of doping concentration of Mn/Fe/Co ions. Unexpectedly, we find the Na_0.5Bi_0.5Ti_0.67V_0.33iO₃ system with ferromagnetic coupling is favorable and produces a magnetic moment of 2.00 μB, which indicates that low temperature ferromagnetism materials could be made by introducing V atoms in Na_0.5Bi_0.5TiO₃. This may be a new way to produce low temperature multiferroic materials.     

Si掺杂β-Ga2O3的第一性原理计算与实验研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势(USPP)法, 在广义梯度近似(GGA)下计算了本征β-Ga₂O₃和Si掺杂β-Ga₂O₃的能带结构、电子态密度、差分电荷密度和光学特性. 在蓝宝石衬底(0001)晶面上用脉冲激光沉积(PLD)法制备了本征β-Ga₂O₃和Si掺杂β-Ga₂O₃薄膜, 测量了其吸收光谱和反射光 关键词： 第一性原理 超软赝势 密度泛函理论 2O₃')" href="#">Si掺杂β-Ga₂O₃     

Co掺杂BiFeO3的第一性原理研究

采用密度泛函理论结合投影缀加波（PAW）方法,研究了具有钙钛矿结构的BiFeO₃材料及对BiFeO₃进行B位Co元素替代掺杂得到的BiFe_075Co_025O₃材料的磁结构、电子结构、能带结构.结果表明：Co的掺入不破坏原有的钙钛矿结构,对材料铁电性影响不大;掺杂导致原有的G型反铁磁序发生变化,形成了亚铁磁序的磁结构,材料的铁磁性有了很大提高;然而,Co杂质的掺入使材料的绝缘性有所减弱. 关键词： 第一性原理计算 3')" href="#">Co掺杂BiFeO₃ 铁磁性     

Gd掺杂ZnO纳米线磁耦合性质的第一性原理研究

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了钆(Gd)掺杂氧化锌(ZnO)纳米线的磁耦合特性. 讨论了两个Gd原子替换ZnO纳米线中不同位置Zn原子的各种可能情况. 计算发现, ZnO中掺杂的Gd原子处于相邻的位置时它们之间的相互作用是铁磁性的, 并且体系的铁磁性可以通过注入合适数目的电子来得到加强. 同时发现Gd掺杂ZnO纳米线后s-f耦合作用变得显著, 使得体系的铁磁性变得更加稳定, 这也是Gd掺杂ZnO纳米线呈现铁磁性的原因. 这些结果为实验上发现的Gd掺杂ZnO纳米线呈铁磁性提供了理论依据.     

5d过渡金属原子掺杂氮化硼纳米管的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了当氮化硼纳米管（BNNT）中的B原子和N原子被5d过渡金属原子（Lu,Hf,Ta,W,Re,Os,Ir,Pt,Au,Hg）取代时BNNT的几何结构、电子结构和磁性性质. 作为对比,给出了理想BNNT,B缺陷体系（V_B）和N缺陷体系（V_N）的相应结果. 研究发现：5d原子取代B（B_5d）时体系的局域对称性接近于C_3v,但是取代N（N_5d）时体系的局域对称性偏离C_3v对称性较大;利用相同的5d原子进行掺杂时,B_5d的成键能比N_5d的成键能大;对于B_5d或者N_5d,其成键能基本上随着5d原子的原子序数的增大而降低;掺杂体系中出现了明显的杂质能级,给出了态密度等结果;不同掺杂情况的磁矩不同,取代B 时体系的总磁矩呈现出较强的规律性. 利用对称性和分子轨道理论解释了5d原子取代B时杂质能级的产生和磁性的变化规律. 关键词： 第一性原理计算 5d过渡金属原子 氮化硼纳米管 密度泛函理论     

3d过渡金属掺杂对Cd12O12纳米线电子和磁性能的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,系统研究了3d过渡金属元素(Sc、Ti、Cr、Mn、Co、Cu和Zn)掺杂Cd12O12纳米线的几何结构,电子结构和磁性。结果表明：所有掺杂体系均是热力学稳定的;掺杂Ti或Zn时体系保留了原有的非磁半导体特性,掺杂Mn、Co或Cu时能够实现磁性半导体态,而在掺杂Sc（Cr）时体系转变为非磁性金属态（磁性金属态）。研究结果表明,掺杂3d过渡金属元素的Cd12O12纳米线在电子、光电和自旋电子学领域具有潜在的应用价值。     

表面悬挂键导致硅纳米线掺杂失效机理的第一性原理研究

利用第一性原理方法, 本文计算了B/N单掺杂SiNWs, 以及含有表面悬挂键的B/N单掺杂硅纳米线的总能和电子结构, 计算结果表明, 悬挂键的出现会导致单原子掺杂失效. 能带结构分析表明, B/N掺杂的H钝化的SiNWs表现出正常的p/n特性, 而表面悬挂键(dangling binding, DB)的存在会导致p型(B原子)或者n型(N原子)掺杂失效; 其失效的原因主要是因为表面悬挂键所引入的缺陷能级俘获了n型杂质(p型杂质)所带来的电子(空穴); 利用小分子(SO₂)吸附饱和悬挂键可以起到激活杂质的作用, 进而实现Si纳米线的有效掺杂.     

P掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理对不同P掺杂形式(P替位Ti, P替位O, 间隙P)的锐钛矿相TiO₂的晶格常数、电荷布居、能带结构、分态密度和吸收光谱进行了计算. 结果表明, P替位Ti时, TiO₂体积减小, P替位O和间隙P的存在使TiO₂的体积膨胀; 替位Ti的P和间隙P均有不同程度的氧化, 而替位O的P带有负电荷. 三种P掺杂形式均导致锐钛矿相TiO₂禁带宽度的增大, 并在TiO₂禁带之内引入了掺杂局域能级. P掺杂导致TiO₂禁带宽度增大的程度依次为: 间隙P>P替位Ti>P替位O. 吸收光谱的计算结果表明, P替位Ti并不能增强TiO₂的可见光吸收能力, 但间隙P的存在大幅提高了TiO₂的可见光光吸收能力, 间隙P有可能是造成实验上P掺杂增强锐钛矿相TiO₂光催化活性的重要原因. 关键词： P掺杂 2')" href="#">锐钛矿相TiO₂ 第一性原理     

过渡金属掺杂在Bi2Te3体系中诱导产生的磁性

用从头计算方法研究了在Bi₂Te₃体系采用过渡金属掺杂从而诱导出磁性的可能性．用一个过渡金属原子置换一个Bi原子之后,可以在该体系中产生磁矩,这主要是由于过渡金属原子的3d轨道电子的自旋极化导致的．当一个Ti、V、Cr、Mn和Fe原子分别替代一个Bi原子时,体系显示的磁矩分别为0.92、1.97、2.97、4.04和4.98 μ_B．当引入两个过渡金属原子代替两个Bi原子的时候,交换耦合的特性取决于取代Bi原子的分布;代替的Bi原子的位置在Bi1和Bi5的位置时,这两个过渡金属原子之间的距离为11.52 ?, Bi_1.84TM_0.16Te₃体系能量最稳定并且表现出铁磁性耦合．     

面心立方单晶镍纳米线稳定性及磁性的第一性原理计算

本文采用第一性原理方法,研究了轴向为低指数晶向的面心立方(fcc)单晶镍纳米线的稳定性和磁性.计算表明,[110] 是fcc镍纳米线最容易出现的取向,[111] 取向次之,而 [001] 取向则很难出现,这一结果与实验事实符合.镍纳米线按照原子位置和磁性强弱的不同,可以分成简单的芯-壳结构,在纳米线芯部,原子的磁矩大小与块体基本一致.在纳米线表面,镍原子的磁矩比芯部原子有所增加.表面原子磁矩与轴向的取向相关,[110] 为轴向的纳米线表面原子磁矩最低,而[001] 为轴向的纳米线表面原子磁矩最高. 关键词： 镍 纳米线 第一性原理 原子磁矩     

过渡金属(Ni)掺杂ZnV2O4的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论下的MS软件模拟了过渡金属Ni掺杂ZnV₂O₄前后的能带结构、态密度以及光学性质.结果表明：ZnV₂O₄具有间接的光学跃迁且能带间隙为0.355 eV,Ni掺杂后能带间隙增加为0.785 eV,且带隙类型不变,引入的Ni-3d轨道电子对ZnV₂O₄的价带和导带组成提供了较大贡献.光学性质结果表明ZnV₂O₄为一种低介电材料,在可见光区的吸收系数和折射率较低,主要表现为紫外吸收.掺杂Ni后,在可见光区的吸收特性和光电导率均增大,有效改善了ZnV₂O₄在可见光区的光电性能.     

5d过渡金属原子吸附氮化硼纳米管的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 研究了氮化硼纳米管六元环中心吸附5d过渡金属原子后体系的几何结构, 电子结构和磁性性质. 研究发现, 吸附原子向一个氮原子或硼原子偏移; 吸附体系在费米能级附近出现明显的杂质能级; 各个体系的总磁矩随原子序数出现规律性变化, 局域磁矩主要分布在吸附原子上.     

5d过渡金属原子吸附氮化硼纳米管的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了氮化硼纳米管六元环中心吸附5d过渡金属原子后体系的几何结构,电子结构和磁性性质.研究发现,吸附原子向一个氮原子或硼原子偏移;吸附体系在费米能级附近出现明显的杂质能级;各个体系的总磁矩随原子序数出现规律性变化,局域磁矩主要分布在吸附原子上.     

5d过渡金属原子掺杂氮化铝纳米管电子结构、磁性性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法, 研究了5d过渡金属原子(Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg)取代AlN纳米管(AlNNTs)中的铝原子或氮原子时体系的几何结构、电子结构和磁性性质; 并且以理想AlN纳米管(AlNNTs)、Al缺陷体系(VAl)和N缺陷体系(VN)的结果作为对比. 研究发现: 5d 原子取代Al(Al5d)时体系的局域对称性接近于C3v, 但是取代N(N5d)时体系的局域对称性偏离C3v对称性较大; 当掺杂的5d元素相同时, Al5d的成键能比N5d的成键能大; 当掺杂体系相同时(Al5d或N5d), 其成键能基本上随着5d原子的原子序数的增大而降低; 掺杂体系中出现了明显的杂质能级, 给出了态密度等结果; 不同掺杂情况的磁矩不同, 总磁矩呈现出较强的规律性. 利用C3v对称性和分子轨道理论解释了过渡金属原子取代Al时杂质能级的产生和体系磁性的变化规律.