GaAs(111)表面硅烯、锗烯的几何及电子性质研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 系统研究了硅烯、锗烯在GaAs(111) 表面的几何及电子结构. 研究发现, 硅烯、锗烯均可在As-中断和Ga-中断的GaAs(111) 表面稳定存在, 并呈现蜂窝状六角几何构型. 形成能计算结果证明了其实验制备的可行性. 同时发现硅烯、锗烯与GaAs表面存在共价键作用, 这破坏了其Dirac电子性质. 进一步探索了利用氢插层恢复硅烯、锗烯Dirac电子性质的方法. 发现该方法可使As-中断面上硅烯、锗烯的Dirac电子性质得到很好恢复, 而在Ga-中断面上的效果不够理想. 此外, 基于原子轨道成键和杂化理论揭示了GaAs表面硅烯、锗烯能带变化的物理机理. 研究结果为硅烯、锗烯在半导体基底上的制备及应用奠定了理论基础.     

Topological phases of silicene and germanene in an external magnetic field: Quantitative results

We investigate the topological phases of silicene and germanene that arise due to the strong spin–orbit interaction in an external perpendicular magnetic field. Below and above a critical field of 10 T, respectively, we demonstrate for silicene under 3% tensile strain quantum spin Hall and quantum anomalous Hall phases. Not far above the critical field, and therefore in the experimentally accessible regime, we obtain an energy gap in the meV range, which shows that the quantum anomalous Hall phase can be realized experimentally in silicene, in contrast to graphene (tiny energy gap) and germanene (enormous field required). (© 2014 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

高压下NH_4ClO_4结构、电子及弹性性质的第一性原理研究

研究高压下NH_4ClO_4的结构和性质对于NH_4ClO_4在固体推进剂和炸药的安全应用具有重要意义.采用基于色散校正密度泛函理论的第一性原理方法,研究了0—15 GPa静水压力下NH_4ClO_4的晶体结构、分子结构、电子性质和弹性性质,计算结果与实验值具有较好的一致性.在压强为1,4和9 GPa时,NH_4ClO_4的晶体参数、键长和分子构型等均出现不连续变化,说明了在压强作用下结构发生变化.随着压强增加,氢键增多且作用增强,由分子内氢键向分子内和分子间的氢键转变;导带态密度峰值增加,电子局域性增强,晶体内N-H和Cl-O共价键作用增强,带隙增大,不同相变区域内带隙呈线性关系.0—15 GPa条件下NH_4ClO_4的弹性常数满足力学稳定性标准,采用Voigt-Reuss-Hill方法计算了体积模量B,剪切模量G和杨氏模量E,根据Cauchy压力和B/G值,说明NH_4ClO_4属于韧性材料,随着压强增加韧性增强.     

第一性原理研究缺陷对高压下LiF的电子结构和光学性质的影响

基于密度泛函理论下的平面波超软赝势方法,本文计算了102 GPa压力下LiF理想和含空位（Li-1 、F+1）晶体的电子结构和光学性质.结果表明:102 GPa压力下理想LiF晶体有良好的透明性;高压下Li-1及F+1两种空位的存在不影响LiF的光学透明性.分析其原因：LiF是一种带隙很宽的离子晶体,电子发生跃迁需要较高的能量; LiF中F元素的电负性很大,Li的电负性却很小,二者结合的Li-F键键能很高.另外本文还计算了102 GPa压力下理想LiF晶体及Li-1 、F+1两种空位分别存在时的反射、折射率、介电函数和光损失函数等一些光学性质,并将理想和含空位的做了比较,结果表明：102 GPa压力下空位的存在对LiF在可见光范围内这些光学性质都不产生影响,但由于F+1空位的存在使LiF晶体对光的吸收发生了红移现象.     

L12型铝合金的结构、弹性和电子性质的第一性原理研究

运用第一性原理方法研究了L12型铝合金相Al3Sc和Al3Zr的晶体结构、电子结构和弹性.结合能和形成能的计算表明,两种合金具有较强的合金化能力,且Al3Zr较Al3Sc具有更强的结构稳定性.电子结构分析表明,费米能级以下较多的价电子数决定了Al3Zr具有较强的结构稳定性.计算并分析比较了两种合金相的单晶弹性常数(C11,C12和C44)以及多晶弹性模量(体弹性模量B、剪切模量G、杨氏模量Y、泊松比ν和各向异性因子A).通过对比实验和其他理论计算结果,进一步分析和解释了两种合金相的力学性质.     

表面氢化双层硅烯的结构和电子性质

采用密度泛函理论(DFT)广义梯度近似GGA和HSB06方法研究了氢化双层硅烯(silicene)的结构和电子性质, 结果表明: 氢化后的双层硅烯可能存在三种稳定的构型, AA椅型、AB椅型和AA船型, 其中AA椅型和AB椅型结构最为稳定, 氢化后这三种稳定构型材料的性质由零带隙的半金属(semimetal)转变为禁带宽度分别为1.208, 1.437和1.111 eV 的间接带隙的半导体, 采用混合泛函HSB06计算修正得到的带隙分别为1.595, 1.785 和1.592 eV. 进一步分析了在双轴应变下氢化双层硅烯的带隙随应变的关系, 得到应变可以连续的调节材料的带隙宽度, 这些性质有可能应用于未来的纳米电子器件.     

Tuning the electronic and magnetic properties of zigzag silicene nanoribbons by 585 defects

Using first-principles calculations, we study the geometric structures, formation energies, electronic and magnetic properties of zigzag silicene nanoribbons (ZSiNRs) with 585 defects. There are two kinds of 585 defects in ZSiNRs referred as 585-I and 585-II, respectively. It is found that no matter which one of the two types, it is the most stable at the edge of the ZSiNR, and at this time it is even more stable than that in an infinite silicene sheet. Utilizing 585 defects, it can transform ZSiNRs from antiferromagnetic semiconductors into metals or half-metals. Especially, defective ZSiNRs may display nearly 100% spin-polarized half-metallic behavior induced by the 585-II defect, which maybe have potential applications in silicon-based spintronic devices. These results present the possibility of modulating the electronic and magnetic properties of ZSiNRs using 585 defects.     

卤化硅烯结构、电子和光学性质的第一性原理研究

二维硅烯的商业用途通常受到其零带隙的抑制,限制了其在纳米电子和光电器件中的应用.利用基于密度泛函理论的第一性原理计算,单层硅烯的带隙通过卤原子的化学官能化被成功打开了,并综合分析了卤化对单层硅烯的结构,电子和光学性质的影响.研究结果表明卤化使结构变得扭曲,但保持了良好的稳定性.通过HSE06泛函,全功能化赋予硅烯1.390至2.123 eV的直接带隙.键合机理分析表明,卤原子与主体硅原子之间的键合主要是离子键.最后,光学性质计算表明,I-Si-I单层在光子频率为10.9 eV时达到最大光吸收,吸收值为122000 cm^-1,使其成为设计新型纳米电子和光电器件的有希望的候选材料.     

第一性原理研究稀土掺杂ZnO结构的光电性质

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,运用Castep计算分析了Er, Gd两种稀土元素掺杂的ZnO结构, 对本征ZnO和掺杂晶体的能带结构、态密度以及光学性质进行了分析对比. 由掺杂前后的结果分析发现,稀土掺杂的ZnO结构引入了由稀土原子贡献的导电载流子, 增强了体系的电导率, 费米能级上移进入导带. 研究表明由于稀土元素的掺入, ZnO结构在费米能级附近出现了杂质能带, 这是由稀土的4f态电子所形成. 同时, 纯净ZnO与Er-ZnO, Gd-ZnO和(Er, Gd)-ZnO的介电函数虚部有明显的差异. 在光学性质上, 掺杂ZnO在可见光区的吸收系数和反射率都比纯净ZnO高, 能量损失峰出现红移现象. 关键词： ZnO 稀土 掺杂 第一性原理     

C与Na掺杂AlN电子结构与光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)的平面波超软赝势法,计算了本征AlN,C-AlN,Na-AlN以及C-Na-AlN四种体系的电子结构和光学性质.得出结论：掺杂后各体系与本征AlN相比发生了晶格畸变,C-Na-AlN体系的结合能最小,体系最稳定.掺杂体系相比于本征AlN,禁带宽度都有不同程度的减小,导致电子在体系内跃迁时的概率增大,其中C-Na-AlN体系尤为明显,电子跃迁所需要的能量更小.掺杂后吸收带边发生了红移,拓宽了AlN体系对光的响应范围,增强了光吸收,并且C-Na-AlN体系在可见光区域内光吸收能力最强,在介电函数图的分析中可以得到,C-Na-AlN体系的介电常数最大,表明其电荷束缚能力最强,体系稳定性强,极化能力最好.     

钾钡共掺菲分子结构和电子特性的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波赝势法,对钾钡共掺杂情形下菲分子晶体的结构、能带、电子态密度、形成能、电荷转移等电子特性进行系统的研究.通过对比计入范德瓦尔斯力作用前后晶体结构的差异,说明计算中包含范德瓦尔斯力修正的重要性.从形成能的角度证明了共掺杂的可行性和稳定性.在钾钙、钾锶、钾钡等共掺杂元素组合中,K_1Ba_1-菲中平均每个金属原子的形成能为-0.25 eV,远大于K_1Sr_1-菲和K_1Ca_1-菲中的-0.13和-0.04 eV,钾钡共掺杂是最合理的方案.只有单双价金属共掺杂,才能使分子呈现负三价.此时,菲分子最低未占据轨道(LUMO)和LUMO+1轨道组成的能带正好位于费米能级处,K_1Ba_1-菲呈现金属性.费米能级处的态密度为17.3 eV~(-1),电子态主要来自于碳原子的2p轨道,钡原子的5d轨道也有少许贡献.从理论模拟的角度研究了K_1Ba_1-菲的晶体结构和电子特性,在已有实验和理论研究尚未涉及共掺杂的背景下,提出了不同价态金属共掺杂方案,为制备芳烃有机超导体样品和调制体系电子结构提供了新的研究思路.     

Structural,electronic and magnetic properties of quaternary half‐metallic Heusler alloy CoFeCrAl

We have investigated the structural, electronic and magnetic properties in quaternary CoFeCrAl Heusler alloy. Rietveld refinement and Mössbauer spectroscopy of samples quenched from 973 K show absence of the A2 phase and presence of a highly ordered B2‐type structure. Full‐potential linearized augmented plane wave calculations using the experimental lattice constant show that there is an energy gap of 0.41 eV around the Fermi level in the bands for minority spin electrons. Partial substitution of Co by Fe in Co₂CrAl thus brings excellent structural ordering while retaining the high Curie temperature, spontaneous magnetization and half‐metallicity necessary for application as spin valves. (© 2013 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

ZrRh晶体结构、弹性性质和电子结构的第一性原理研究

运用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了ZrRh的晶体结构、弹性性质和电子结构性质.结果表明:计算的B2、B19'和ZrIr结构的平衡晶格常数与相应的实验参数符合很好.从形成焓和态密度的角度来看,ZrRh的相稳定顺序是ZrIrFe BB19'B2,ZrIr结构是最稳定的.ZrIr结构的形成焓最小,说明ZrIr结构最容易生成.利用应力-应变的方法计算了ZrRh的弹性常数,表明B2、FeB和ZrIr结构是力学稳定的.B/G和泊松比均表明ZrRh具有很好的延展性.对ZrRh的态密度研究发现,增强的Rh4d态与Zr4d态杂化作用是ZrIr结构稳定的主要原因.     

含羟基结构熔石英光电性质的第一性原理研究

熔石英是高功率激光装置中广泛使用的激光透镜材料,采用第一性原理结合平面波赝势方法,研究了熔石英材料中羟基结构的生成模式,系统计算了材料的电子态密度、差分电荷密度、原子电荷布居分布,分析了包含羟基熔石英材料的光学跃迁模式,研究结果表明:熔石英中的三配位硅原子缺陷在禁带中生成了两条缺陷能级,分别位于7.8和8.8 eV;研究还发现氢原子与五配位硅原子发生相互作用生成羟基结构,该反应还使三配位硅原子的杂化方式由sp~2变为sp~3,这种羟基结构会影响体系的电子结构,使原有的7.8和8.8ev缺陷能级消失,并在费米面上生成一条半占据态缺陷能级,引起激发能为6.2 eV的光学跃迁。     

Thermoelasticity of CaO from first principles

The thermoelastic properties of CaO over a wide range of pressure and temperature are studied using density functional theory in the generalized gradient approximation. The transition pressure taken from the enthalpy calculations is 66.7GPa for CaO, which accords with the experimental result very well. The athermal elastic moduli of the two phases of CaO are calculated as a function of pressure up to 200GPa. The calculated results are in excellent agreement with existing experimental data at ambient pressure and compared favourably with other pseudopotential predictions over the pressure regime studied. It is also found that the degree of the anisotropy rapidly decreases with pressure increasing in the B1 phase, whereas it strongly increases as the pressure increases in the B2 phase. The thermodynamic properties of the B1 phase of CaO are predicted using the quasi-harmonic Debye model; the heat capacity and entropy are consistent with other previous results at zero pressure.     

Mn-N共掺杂TiO2电子结构和光学性质的第一性原理计算

本文采用第一性原理研究了Mn、N掺杂TiO2和Mn-N共掺杂TiO2的能带结构、态密度和Mn-N共掺TiO2对体系介电函数与吸收谱的影响.研究结果表明,Mn掺杂TiO2的能带结构的禁带内出现的杂质能级是由Mn 的3d轨道贡献;N掺杂TiO2在费米能级处的杂质能级则由O 2p, Ti 3d和N 2p轨道杂化形成; Mn-N共掺的TiO2能带在费米能级处的杂质能级则由O 2p, Ti 和Mn的3d以及N 2p轨道杂化形成; 对于介电函数,在低能区间(<2.5 eV),理想TiO2无介电峰, Mn-N共掺体系则出现了两个介电峰,原因在于Mn 3d态和N 2p态使介电峰值向低能区移动;同时,与理想TiO2的吸收谱相比,最大的变化是在可见光区出现了一个吸收峰,且在可见光区的响应的范围变宽.     

First‐principles identification of defect levels in Er‐doped GaN

Erbium (Er) doped GaN has been studied extensively for optoelectronic applications, yet its defect physics is still not well understood. In this work, we report a first‐principles hybrid density functional study of the structure, energetics, and thermodynamic transition levels of Er‐related defect complexes in GaN. We discover for the first time that Er_Ga–C_N–V_N, a defect complex of Er, a C impurity, and an N vacancy, and Er_Ga–O_N–V_N, a complex of Er, an O impurity, and an N vacancy, form defect levels at 0.18 eV and 0.46 eV below the conduction band, respectively. Together with Er_Ga–V_N, a complex of Er and an N vacancy which has recently been found to produce a donor level at 0.61 eV, these defect complexes provide explanation for the Er‐related defect levels observed in experiments. The role of these defects in optical excitation of the luminescent Er center is also discussed.     

Mn-N共掺杂TiO_2电子结构和光学性质的第一性原理计算

本文采用第一性原理研究了Mn、N掺杂TiO_2和Mn-N共掺杂TiO_2的能带结构、态密度和Mn-N共掺TiO_2对体系介电函数与吸收谱的影响.研究结果表明,Mn掺杂TiO_2的能带结构的禁带内出现的杂质能级是由Mn的3d轨道贡献;N掺杂TiO_2在费米能级处的杂质能级则由O 2p,Ti 3d和N 2p轨道杂化形成;Mn-N共掺的TiO_2能带在费米能级处的杂质能级则由O 2p,Ti和Mn的3d以及N 2p轨道杂化形成;对于介电函数,在低能区间(2.5 e V),理想TiO_2无介电峰,Mn-N共掺体系则出现了两个介电峰,原因在于Mn 3d态和N 2p态使介电峰值向低能区移动;同时,与理想TiO_2的吸收谱相比,最大的变化是在可见光区出现了一个吸收峰,且在可见光区的响应的范围变宽.     

掺铝3C-SiC电子结构的第一性原理计算及其微波介电性能

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法,对比研究了未掺杂和Al掺杂3C-SiC材料的电子结构和介电常数.结果表明:Al掺杂后,Fermi能级进入价带,带隙宽度略为加宽,在8.2—12.4 GHz范围内介电常数大幅度增大.利用燃烧合成法制备了Al掺杂的3C-SiC粉体吸收剂,通过矢量网络分析仪测试了样品在8.2—12.4 GHz范围内的微波介电常数,验证了理论计算结果,并讨论了微波损耗机理.