Electronic structures and magnetic properties of Zn-and Cd-doped AlN nanosheets:A first-principles study

In this paper, the magnetic properties, electronic structures and the stabilities of Zn/Cd incorporated two-dimensional Al N nanosheets are investigated by the first-principles method. Numerical results indicate that Zn and Cd substituting Al atom in Al N nanosheets introduce some holes into the 2p orbitals of the N atoms, and the holes mainly come from spindown 2p orbitals of the N atoms. The magnetic moment of 1.0 μBis produced by Zn/Cd doping Al N nanosheets, and the main component of the magnetic moment of the system is contributed by the partially filled 2p states of the N atoms around the dopant. In particular, when Zn/Cd substituting Al atoms, the magnetic coupling is found to be ferromagnetic. We attribute the hole-mediated p–d interaction to the created ferromagnetic coupling. More importantly, the result of formation energy indicates that Al atom is more inclined to be replaced by Zn atom rather than Cd. This finding is beneficial to developing the spin electronic devices.     

Cu、Ag和Au掺杂AlN的电磁性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论（DFT）的平面波超软赝势法,研究了Cu、Ag、Au掺杂AlN的晶格常数、磁矩、能带结构和态密度。电子结构表明,Cu、Ag、Au的掺杂使在带隙中引入了由杂质原子的d态与近邻N原子的2p态杂化而成的杂质带,都为p型掺杂,增强了体系的导电性。Cu掺杂AlN具有半金属铁磁性,半金属能隙为0.442eV,理论上可实现100%的自旋载流子注入;Ag掺杂AlN具有很弱的半金属铁磁性;而Au掺杂AlN不具有半金属铁磁性。因此,与Ag、Au相比,Cu更适合用来制作AlN基稀磁半导体。     

N空位对Cu掺杂AlN电磁性质的影响的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的平面波超软赝势法研究了N空位对Cu掺杂AlN的电子结构和磁学性质的影响。结果表明,与Cu最近邻的N原子更易失去形成N空位。N空位的引入减小了Cu掺杂AlN体系的半金属能隙;减弱了Cu及其近邻N原子的自旋极化的强度以及Cu3d与N2p轨道间的杂化,因而减小了体系的半金属铁磁性。因此,制备Cu掺杂AlN稀磁半导体时应尽可能地避免产生N空位。     

Ag掺杂AlN半导体光电性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法,对Ag掺杂AlN 32原子超晶胞体系进行几何结构优化,计算并分析体系的电子结构、磁性和光学性质.结果表明:Ag掺杂后,Ag4d态电子与其近邻的N2p态电子发生杂化,引入杂质带形成受主能级,实现p型掺杂,使体系的导电能力增强,同时表现出金属性和弱磁性,其净磁矩为1.38μ_в.掺杂形成的N-Ag键电荷集居数较小,表现出强的离子键性质.掺杂后体系的介电函数虚部和光吸收谱在低能区出现新的峰值,同时复折射率函数在低能区发生变化,吸收边向低能方向延展,体系对长波吸收加强,能量损失明显减小.     

Be, O共掺杂实现p型AlN的第一性原理研究

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,研究了掺杂和非掺杂AlN体系的晶格参数、 能带结构、总体态密度、分波态密度、差分电荷分布及电荷集居数.计算结果表明: Be掺杂AlN晶体能够在能隙中形成深受主能级,空穴载流子局域于价带顶, 而引入了激活施主O原子的Be, O共掺杂方法,能使受主能带变宽、非局域化特征明显. 同时,受主能级向低能方向移动,形成了浅受主能级, 从而提高了Be原子的掺杂浓度和系统的稳定性. Be, O共掺杂更有利于获得p型AlN.     

第一性原理计算Cu-Cr共掺AlN稀磁半导体

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,结合广义梯度（GGA）近似对Cr单掺AlN和Cu-Cr共掺AlN的32原子超原胞体系进行几何结构优化,计算它们的晶格常数,能带结构,电子态密度以及光学性质.结果表明Cr单掺AlN和Cu-Cr共掺AlN均表现为半金属性质,带隙变窄,且Cu-Cr共掺体系自旋极化作用较Cr单掺强,材料表现出良好的铁磁性.共掺杂后,光吸收的范围增宽,体系对长波吸收加强,能量损失明显减小.     

稀土元素Gd掺杂BiFeO3的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的局域自旋密度近似加U法（LSDA+U:Hubbard参数）计算了多铁材料BiFeO3铁电相以及稀土元素Gd掺杂BiFeO3材料的能带结构、态密度（DOS）、原子轨道占据数和净电荷分布等,对稀土元素Gd掺杂BiFeO3可能引起的电子结构、介电常数和铁磁性的改变进行了第一性原理研究。计算结果表明：Gd掺杂对材料钙钛矿结构影响不大,BiFeO3铁电性主要来源于Fe原子3d轨道和O原子2p轨道杂化;掺杂Gd后材料中的Fe原子和O原子的共价性减弱,Bi原子和O原子的离子性增强,禁带宽度变窄,绝缘性减弱,铁磁性明显增强;计算得到的光学性质表明材料的静态介电常数有所增加。     

稀土元素Gd掺杂BiFeO3的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的局域自旋密度近似加U法（LSDA+U:Hubbard参数）计算了多铁材料BiFeO3铁电相以及稀土元素Gd掺杂BiFeO3材料的能带结构、态密度（DOS）、原子轨道占据数和净电荷分布等,对稀土元素Gd掺杂BiFeO3可能引起的电子结构、介电常数和铁磁性的改变进行了第一性原理研究。计算结果表明：Gd掺杂对材料钙钛矿结构影响不大,BiFeO3铁电性主要来源于Fe原子3d轨道和O原子2p轨道杂化;掺杂Gd后材料中的Fe原子和O原子的共价性减弱,Bi原子和O原子的离子性增强,禁带宽度变窄,绝缘性减弱,铁磁性明显增强;计算得到的光学性质表明材料的静态介电常数有所增加。     

Electronic and structural properties of N-vacancy in AlN nanowires: A first-principles study

The stability and electronic structures of AlN nanowires with and without N-vacancy are investigated using firstprinciples calculations.We find that there is an inverse correlation between formation energy and diameter in ideal AlN nanowires.After calculating the formation energies of N-vacancy at different sites in AlN nanowires with different diameters,we find that the N-vacancy prefers to stay at the surface of the nanowires and it is easier to fabricate them under Al-rich conditions.Through studying the electronic properties of AlN nanowires with N-vacancies,we further find that there are two isolated bands in the deep part of the band gap,one of them is fully occupied and the other is half occupied.The charge density indicates that the half-fully occupied band arises from the Al at the surface,and this atom becomes an active centre.     

氮化铟p型掺杂的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的总体能量平面波超软赝势法，对Mg，Zn，Cd掺杂InN的32原子超原胞体系进行了几何结构优化，从理论上给出了掺杂和非掺杂体系的晶体结构参数，其中非掺杂体系的理论值与实验值符合很好. 计算了掺杂InN晶体的结合能，总体态密度、集居数，差分电荷密度，并对此做了细致的分析. 计算结果表明，相对于Zn和Cd，Mg_In在InN中的溶解度会更大，并能提供更多的空穴态，非常有利于InN的p型掺杂. 关键词： 氮化铟 p型掺杂 电子结构 第一性原理     

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     

Zn,Cd掺杂AlN电子结构的第一性原理计算

基于密度泛函理论(DFT)框架下的第一性原理的平面波超软赝势方法(USPP),对Zn,Cd掺杂AlN的32原子超原胞体系进行了几何结构优化,从理论上给出了掺杂和非掺杂体系的晶体结构参数。计算了掺杂AlN晶体的结合能、电子态密度、差分电荷密度,并对计算结果进行了细致的分析。计算结果表明,Cd、Zn都可以提供很多的空穴态,是良好的p型掺杂剂,但是相对于Cd, Zn原子在AlN晶体中的溶解度更大,并且可以提供更多的空穴,有利于形成更好的p型电导。     

Cr掺杂浓度对AlN半金属性影响的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法, 在广义梯度近似(GGA)下计算了掺杂过渡金属Cr原子后AlN晶体自旋极化的能带结构、分态密度等性质. 结果表明, 半金属能隙随着掺杂浓度的增大而减小. 文中以掺杂浓度为12.5%的Cr-AlN(2×2×1)为例, 分析了其自旋极化的能带结构、分态密度和磁矩等性质, 发现Cr-3d电子对自旋向下子带导带底的能量位置起决定作用. 随着掺杂浓度的增大, Cr原子间相互作用增强, Cr-3d能带向两边展宽, 导致自旋向下子带导带底的能量位置下降, 从而半金属能隙变窄.     

掺杂Si/SiO_2界面电子结构与光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,在局域密度近似(LDA)下研究了B掺杂Si/SiO_2界面及其在压强作用下的电子结构和光学性质.能带的计算结果表明:掺杂前后Si/SiO_2界面均属于直隙半导体材料,但掺B后界面带隙由0. 74 eV减小为0. 57 eV,说明掺B使材料的金属性增强;对B掺杂Si/SiO_2界面施加正压强,发现随着压强不断增大,Si/SiO_2界面的带隙呈现了逐渐减小的趋势,并且由直隙逐渐转变为间隙.光学性质的计算结果表明:掺B对Si/SiO_2界面在低能区(即红外区)的介电函数虚部、吸收系数、折射率以及反射率等光学参数有显著影响,且在红外区出现新的吸收峰;对B掺杂Si/SiO_2界面施加正压强,随着压强增大,红外区的吸收峰逐渐消失,而在紫外区出现了吸收峰.上述结果表明,对Si/SiO_2界面掺B及施加正压强均可调控Si/SiO_2界面的电子结构与光学性质.本文的研究为基于Si/SiO_2界面的光电器件研究与设计提供一定的理论参考.     

不同浓度Cu掺杂AlN的电子结构和光学性质研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势和广义梯度近似的第一性原理计算方法,对理想纤锌矿AlN及不同浓度的Cu掺AlN的超晶胞结构进行了几何优化,计算并分析了它们的电子结构、磁电性质和光学性质.结果表明,掺杂后Cu3d态电子与其近邻的N2p态电子发生杂化,在带隙中引入杂质带,6.25%和12.5%的Cu掺杂体系表现出半金属铁磁性,体系总磁矩分别为2.56μв和2.42μв,25%的Cu掺杂体系表现出金属性.随着Cu浓度的增加,体系铁磁性反而减弱.Cu掺杂后体系介电函数虚部和复折射率函数在低能区发生明显变化,增强了体系对低频电磁波的吸收.当Cu浓度增加时体系对高频电磁波的吸收也随之加强.     

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.     

Functionalizing AlN monolayer with hydroxyl group: Effect on the structural and electronic properties

Two-dimensional (2D) materials play key role in designing and fabricating diminutive optoelectronic devices with high efficiency. In this paper, we report the results of a comprehensive first-principles study on the structural and electronic properties of the pristine and hydroxyl group OH-functionalized (OH-AlN-OH) AlN monolayer. GGA-PBE and hybrid HSE06 functionals are employed to describe the exchange-correlation potential. According to our calculations, the pristine AlN monolayer has a wide indirect band gap of 2.954(4.000) eV determined by PBE(HSE06) level of theory. Indirect-direct gap transition is obtained through the chemical functionalization and the band gap reduces to 0.775(2.125) eV. Results shows that the OH-AlN-OH monolayer is more suitable for optoelectronic applications. Finally, the strain is proven to be efficient factor to tune the electronic properties of the studied monolayers.     

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.     

稀土元素(Y,La)掺杂ZnO的电子结构和光学性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了未掺杂ZnO和稀土(Y,La)掺杂ZnO体系的空间结构、能带、电子态密度与光学性质.结果表明,掺杂后体系的形成能减小,稳定性变强,带隙展宽,费米能级进入导带中,体系呈金属性,载流子发生简并,形成简并半导体.定性分析了掺杂后光学性质的变化. 关键词： 氧化锌 掺杂 第一性原理     

第一性原理研究Mn和Cu掺杂六钛酸钾(K_2Ti_6O_(13))的电子结构和光学性质

六钛酸钾(K_2Ti_6O_(13))是宽带隙半导体光催化材料,只能响应波长较短的紫外光.为了使K_2Ti_6O_(13)对可见光响应,本文采用第一性原理方法,研究过渡金属Mn和Cu掺杂改性后K_2Ti_6O_(13)的电子结构和光学性质.计算结果表明:Mn,Cu掺杂后K_2Ti_6O_(13)禁带中出现了杂质能级,这些杂质能级由O 2p和Ti 3d与Mn 3d或Cu 3d态杂化而成.对于Mn掺杂的K_2Ti_6O_(13),其带隙值变小,位于能带中间的杂质能级可作为电子跃迁的桥梁,从而实现了对可见光的吸收.对于Cu掺杂的K_2Ti_6O_(13),其带隙值虽略有增大,但是若考虑将与价带相连的杂质能级,带隙值将大大减小,且此杂质能级可抑制光生载流子的复合,使得掺杂后K_2Ti_6O_(13)吸收带边红移至可见光区并在可见光范围内吸收强度明显增强.总的而言,Mn,Cu的掺杂实现了钛酸钾对可见光的吸收,同时Cu掺杂的效果要优于Mn掺杂的效果.研究结果对K_2Ti_6O_(13)在光催化领域上的应用具有重要的意义.