La单掺4H-SiC电子结构和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计算方法,对未掺杂及La掺杂4H-SiC的电子结构和光学性质进行理论计算。计算结果表明,未掺杂4C-SiC其禁带宽度为2.257 eV。La掺杂后带隙宽度下降为1.1143eV,导带最低点为G点,价带最高点为F点,是P型间接半导体。掺杂La原子在价带的低能区间贡献比较大,而对价带的高能区和导带的贡献比较小。未掺杂4H-SiC在光子能量为6.25 eV时,出现一个介电峰,这是由于价带电子向导带电子跃迁产生。而La掺杂后,出现3个介电峰,分别对应的光子能量为0.47eV、2.67eV、6.21eV,前两个介电峰是由于价带电子向杂质能级跃迁产生,第三个介电峰是由于价带电子向导带电子跃迁产生。La掺杂后4H-SiC变成负介电半导体材料。未掺杂4h-SiC的静态介电常数为2.01,La掺杂的静态常数为12.01。     

N掺杂Cu2O薄膜的光学性质及第一性原理分析

采用射频磁控溅射技术, 在不同温度下制备了N掺杂Cu₂O薄膜．透射光谱分析发现, N掺杂导致Cu₂O成为允许的带隙直接跃迁半导体, 并使Cu₂O的光学禁带宽度增加．不同温度下沉积的薄膜光学禁带宽度E_g=2.52± 0.03 eV．第一性原理计算表明, N掺杂导致Cu₂O的禁带宽度增加了约25%, 主要与价带顶下移和导带底上移有关, 与实验报道基本符合．N的2p电子态分布不同于O原子, 在价带顶附近具有较大的态密度是N掺杂Cu₂O变成允许的带隙直接跃迁半导体的根本原因．     

B、N单掺杂3C-SiC电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用第一性原理的密度泛函理论赝势平面波方法,计算了未掺杂与B、N单掺杂3C-SiC的电子结构和光学性质.结果表明:掺杂改变了3C-SiC费米面附近的电子结构;B掺杂使得禁带宽度减小,价带顶上移,费米能级进入价带,形成p型半导体;N掺杂使得禁带宽度减小,导带底下移,费米能级进入导带,形成n型半导体.B、N掺杂均提高了3C-SiC在低能区的折射率、消光系数和吸收系数,增强了对红外光谱的吸收.     

萤石结构TiO2的电子结构和光学性质

利用第一性原理计算了立方相萤石TiO₂的晶胞参数，能带结构和电子态密度.结果显示萤石TiO₂属于间接带隙半导体材料，其间接禁带宽度(Γ→X)E_g为2.07eV，比常见的金红石和锐钛矿TiO₂的禁带宽度窄.为了更清楚地了解萤石的光学性质，利用Kramers-Kronig色散关系，分别对萤石和金红石TiO₂的复介电常数、吸收率等参数进行了计算，并将二者结果做了     

M’型GdTaO4电子结构的第一性原理研究

运用基于密度泛函理论的赝势平面波方法计算了M’型GdTaO₄的电子结构.结果表明：M’型GdTaO₄价带顶主要由O-2p电子构成,导带底由Ta-5d的e轨道电子构成;当U_eff=8 eV时,自旋向上和自旋向下的Gd-4f电子分别局域于价带顶以下627 eV和导带底以上301 eV处;计算得到M’型GdTaO₄的折射率为224,与应用半经验的Gladstone-Dale关系得到的结果符合得很好.     

碳-锌共掺杂锐钛矿相TiO2 电子结构与光学性质的第一性原理研究

近年来的理论和实验研究表明,通过不同离子共掺杂TiO₂是减小其禁带宽度的一种有效方法.本文采用基于第一性原理的平面波超软赝势方法研究了C和Zn共掺杂TiO₂的能带结构、态密度和光学性质.计算结果表明C-Zn共掺杂导致导带相对Fermi能级发生了明显的下降,同时在TiO₂的导带下方与价带上方形成了新的杂质能级,使TiO₂的禁带宽度变小, TiO₂的光学吸收带边产生红移. 杂质能级可以降低光激发产生的电子-空穴对的复合概率, 提高TiO₂的光催化效率. 此外, 掺杂后TiO₂在可见光区的吸收系数有明显增加, 能量损失也明显减小.     

In掺杂ZnO电子结构的第一性原理研究

采用第一性原理平面波超软赝势,计算了纤锌矿ZnO和不同掺杂量下In掺杂ZnO晶体的能带结构、态密度和分波态密度.计算表明,In的掺杂导致ZnO禁带宽度变窄.随着掺杂量的增大,In_xZn_1－xO的导带底和价带顶同时下降,但是导带底比价带顶下降得多,这导致了带隙的变窄.此外,In掺杂使晶胞晶格常数增大,这对带隙的变窄也有一定作用.     

Cd掺杂纤锌矿ZnO电子结构的第一性原理研究

采用密度泛函理论结合投影缀加波方法，对掺杂Cd导致ZnO禁带宽度下降的机理进行了研究. 通过对掺杂前后电子能带结构，态密度以及分态密度的计算和比较，发现Cd_xZn_1-xO价带顶端(VBM)始终由O-2p占据；而导带顶端(CBM)则由Cd-5s与Zn-4s杂化轨道控制. 随着掺杂浓度的增加，决定带隙宽度的CBM的位置下降，同时VBM的位置上升，从而导致了带隙的变窄，出现了红移现象. 此外，Cd掺杂会使晶胞发生膨胀，这种张应变也是导致Cd     

C掺杂锐钛矿相TiO2吸收光谱的第一性原理研究

运用第一性原理,对C掺杂锐钛矿相TiO₂的电子结构进行了研究,从能带结构理论解释了C掺杂TiO₂吸收光谱的一些实验现象.发现在C掺杂后的锐钛矿相TiO₂的禁带宽度增大,并且在带隙中出现了杂质能级,这些杂质能级主要是由C 2p轨道上的电子构成的,它们之间是独立的,正是这些独立的杂质能级使TiO₂掺杂后可以发生可见光响应.价带上的电子可以吸收一定能量的光子跃迁到杂质能级,而杂质能级上的电子也可以吸收一定能量的光子跃迁到导带,所以从理论上可以计算出掺杂后的TiO₂在可见光范围内存在两个吸收边,与实验中所得到的现象相一致.     

Co-Cr共掺杂金红石型TiO_2电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论,采用第一性原理赝势平面波方法计算了Co、Cr单掺杂以及Co-Cr共掺杂金红石型TiO2的能带结构、态密度和光学性质.计算结果表明:纯金红石的禁带宽度为3.0eV,Co掺杂金红石型TiO2的带隙为1.21eV,导带顶和价带底都位于G点处,仍为直接带隙,在价带与导带之间出现了由Co 3d和Ti 3d轨道杂化形成的杂质能级;Cr掺杂金红石型TiO2的直接带隙为0.85eV,在价带与导带之间的杂质能级由Cr 3d和Ti 3d轨道杂化轨道构成,导带和价带都向低能级方向移动;Co-Cr共掺杂,由于电子的强烈杂化,使O-2p态和Ti-3d态向Co-3d和Cr-3d态移动,使价带顶能级向高能级移动而导带底能级向低能方向移动,极大地减小了禁带的宽度,也是共掺杂改性的离子选择依据.掺杂金红石型TiO2的介电峰、折射率和吸收系数峰都向低能方向移动;在E2.029eV的范围内,纯金红石的ε2、k和吸收系数为零,掺杂后的跃迁强度都大于未掺杂时的跃迁强度,Co-Cr共掺杂的跃迁强度大于Co掺杂及Cr掺杂,说明Co、Cr共掺杂更能增强电子在低能端的光学跃迁,具有更佳的可见光催化性能.     

Electronic structure and the local electroneutrality level of SiC polytypes from quasiparticle calculations within the GW approximation

The most important interband transitions and the local charge neutrality level (CNL) in silicon carbide polytypes 3C-SiC and nH-SiC (n = 2?C8) are calculated using the GW approximation for the self energy of quasiparticles. The calculated values of band gap E _g for various polytypes fall in the range 2.38 eV (3C-SiC)-3.33 eV (2H-SiC) and are very close to the experimental data (2.42?C3.33 eV). The quasiparticle corrections to E _g determined by DFT-LDA calculations (about 1.1 eV) are almost independent of the crystal structure of a polytype. The positions of CNL in various polytypes are found to be almost the same, and the change in CNL correlates weakly with the change in E _g, which increases with the hexagonality of SiC. The calculated value of CNL varies from 1.74 eV in polytype 3C-SiC to 1.81 eV in 4H-SiC.     

In2O3晶体电子结构和光吸收机理研究

为了得到准确的In₂O₃晶体电子结构, 本文分别采用GGA, GGA+U, HSE06的方法计算了电子结构, 并进行了G₀W₀修正, 通过比较计算结果, 得到HSE06+G₀W₀方法计算得到的禁带宽带最接近实验结果. 在此基础上使用Hedin的G₀W₀近似方法和Bethe-Salpeter方程计算得到了In₂O₃晶体的光学性质, 计算结果与实验结果吻合很好, 在此基础上通过对准粒子能带结构、光学跃迁矩阵和光学吸收谱的分析, 给出了In₂O₃晶体的光学跃迁机理.     

强激光照射对6H-SiC晶体电子特性的影响

使用基于密度泛函微扰理论的第一性原理赝势法, 模拟研究了纤锌矿6H-SiC晶体在强激光照射下电子特性的变化. 研究结果表明, 电子温度T_e在升高到3.89 eV及以上后, 6H-SiC由间接带隙的晶体变为直接带隙的晶体; 带隙值随电子温度T_e升高先是增大后又快速减小, 当电子温度T_e大于4.25 eV以后, 带隙已经消失而呈现出金属特性.     

强激光照射对2H-SiC晶体电子特性的影响

使用基于密度泛函微扰理论的第一原理赝势法, 计算了纤锌矿结构2H-SiC晶体在强激光照射下的电子特性, 分析了其能带结构和电子态分布. 计算结果表明: 2H-SiC平衡晶格参数a 和c随电子温度T_e的升高逐渐增大; 电子温度在0–2.25 eV范围内时, 2H-SiC仍然是间接带隙的半导体晶体, 当T_e超过2.25 eV达到2.5 eV以上时, 2H-SiC变为直接带隙的半导体晶体; 随着电子温度升高, 导带底和价带顶向高能量或低能量方向发生了移动, 当电子温度T_e大于3.5 eV以后, 价带顶穿越费米能级; 电子温度T_e在0–2.0 eV变化时, 带隙随电子温度升高而增大; T_e在2.0–3.5 eV范围变化时, 带隙随电子温度升高而快速地减少, 表明2H-SiC晶体的金属性随电子温度T_e的继续升高而增强. 在T_e =0, 5.0 eV 处, 计算了2H-SiC晶体总的电子态密度和分波态密度. 电子结构表明T_e =0 eV 时, 2H-SiC 是一个带隙为2.3 eV的半导体; 在T_e =5.0 eV时, 带隙已经消失而呈现出金属特性, 表明当电子温度升高时晶体的共价键变弱、金属键增强, 晶体经历了一个熔化过程, 过渡到金属状态.     

Te掺杂单层MoS2的电子结构与光电性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了Te掺杂对单层MoS₂能带结构、电子态密度和光电性质的影响。结果表明,本征单层MoS₂属于直接带隙半导体材料,其禁带宽度为1.64 eV。本征单层MoS₂的价带顶主要由S-3p态电子和Mo-4d态电子构成,而其导带底则主要由Mo-4d态电子和S-3p态电子共同决定;Te掺杂单层MoS₂为间接带隙半导体材料,其禁带宽度为1.47 eV。同时通过Te掺杂,使单层MoS₂的静态介电常数增大,禁带宽度变窄,吸收光谱产生红移,研究结果为单层MoS₂在光电器件方面的应用提供了理论基础。     

W掺杂对β-Ga_2O_3导电性能影响的理论研究

采用密度泛函理论的平面波超软赝势计算方法,对不同W掺杂浓度下β-Ga2O3的导电性能进行研究.计算了β-Ga2(1-x)W2x O3(x=0,0.0625,0.125)的优化参数、总态密度和能带结构.结果表明,W掺入β-Ga2O3使Ga2(1-x)W2x O3材料的体积增大,总能量升高,稳定性降低.当W的掺杂量较小时,其电子迁移率较大,导电性能也很强.当增加W的掺杂量,Ga2(1-x)W2x O3材料的平均电子有效质量就略有增大,能隙变得越窄,这与实验的变化趋势相一致.     

Quasiparticle band structures and optical properties of magnesium fluoride

The quasiparticle and optical properties of magnesium fluoride (MgF(2)) are computed within the GW approximation based on many-body perturbation theory (MBPT). The many-body effects appearing in self-energy and electron-hole interactions have an important influence on the electronic and optical properties. The DFT-LDA calculation shows a 6.78 eV band gap. Two methods are employed to evaluate the self-energy within the GW approximation in the present work. The generalized plasmon pole model (GPP) provides a band gap of 12.17 eV, which agrees well with the experimental value of 12.4 eV (Thomas et al 1973 Phys. Status Solidi b 56 163). Another band gap value of 11.30 eV is obtained by using a full frequency-dependent self-energy, which is also not far from the experimental value and is much better than the result from the LDA calculation. The calculated optical spectrum within DFT is significantly different from the experiment. Although the calculated optical absorption threshold within the GW method is close to the experiment, the overall shape of the spectrum is still similar to the case of DFT. However, the overall shape of the spectrum via the Bethe-Salpeter equation (BSE) method agrees well with the experiment.     

锐钛矿二氧化钛体相缺陷的准粒子能带结构

Quasiparticle band structures of the defective anatase TiO₂ bulk with O vacancy, Ti interstitial and H interstitial are investigated by the GW method within many-body Green''s function theory. The computed direct band gap of the perfect anatase bulk is 4.3 eV, far larger than the experimental optical absorption edge (3.2 eV). We found that this can be ascribed to the inherent defects in anatase which drag the conduction band (CB) edge down. The occupied band-gap states induced by these defects locate close to the CB edge, excluding the possible contribution of these bulk defects to the deep band-gap state below CB as observed in experiments.     

Direct and indirect optical transitions in Zn3P2

Absorption measurements were made on single crystals of Zn₃P₂ at temperatures of 300, 80 and 5 K, and photo-voltage spectral responses-were measured at 300 K for Au- and In---Zn₃P₂ contacts. Interband absorption was interpreted as a process involving three mechanisms: (1) indirect transitions from the valence band at the Γ point, (2) either excitations from acceptor level to the conduction band at the Γ point, or second indirect transitions associated with the creation of excitons, and (3) band-to-band direct transitions at the Γ point. The effect of the lighting configuration on spectral PV plots is also discussed, and the origin of two peaks of PV responses is interpreted as being in accordance with optical data. The indirect energy gap has been estimated as 1.315eV at 300 K and 1.335 eV at 80 and 5 K, and the direct one as 1.505, 1.645 and 1.685 eV at 300, 80 and 5 K, respectively.     

Ce和O空位共掺杂TiO_2的电子结构与光学性质

采用基于密度泛函理论加U的计算方法,研究了Ce和O空位单(共)掺杂锐钛矿相TiO_2的电子结构和光吸收性质.计算结果表明,Ce和O空位共掺杂TiO_2的带隙中出现了杂质能级,且带隙窄化为2.67 eV,明显比纯TiO_2和Ce,O空位单掺杂TiO_2的要小,因而可提高TiO_2对可见光的响应能力,使TiO_2的光吸收范围增加.光吸收谱显示,掺杂后TiO_2的光吸收边发生了显著红移;在400.0—677.1 nm的可见光区,共掺杂体系的光吸收强度显著高于纯TiO_2和Ce单掺杂TiO_2,而略低于O空位单掺杂TiO_2.此外,Ce掺杂TiO_2中引入O空位后,TiO_2的导带边从-0.27 eV变化为-0.32 eV,这表明TiO_2的导带边的还原能力得到了加强.计算结果为Ce和O空位共掺杂TiO_2在可见光光解水方面的进一步研究提供了有力的理论依据.