BaTiO_3/SrTiO_3(1:1)超晶格的晶格动力学、介电和压电性能的第一性原理研究

对于BaTiO3/SrTiO3(BTO/STO)沿[001]方向有序的1:1超晶格,从最高对称性的P4/mmm结构出发,用第一性原理计算了布里渊区中心声子,通过冻结不稳定声子得到P4mm和Amm2结构,进一步冻结不稳定声子得到其基态单斜Cm结构.计算了三种畸变结构的自发极化及Cm结构的电子和声子对介电和压电的贡献.分析表明:ε22和e26主要来自于频率为197,146和97 cm-1的A′′声子的贡献;ε33和e33主要来自于频率为189和139 cm-1的A′声子的贡献;ε11和e11主要来自于频率为246 cm-1的A′声子的贡献.根据离子对介电和压电张量各分量的贡献可知,Ti和O离子对介电和压电有比较大的贡献.     

四方相BaTiO3缺陷性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了BaTiO₃在四方相下的各种缺陷性质.计算结果表明,在富氧环境下,钛的中性氧空位、分肖特基缺陷2V^3-_Ti+3V²⁺_O形成能分别为最低;而当体系处在还原环境下时,氧空位逐渐成为主要缺陷,其形成能最低.由于四方相下存在较强的Ti—O键共价杂化,四方相下全肖特基缺陷V^2-_Ba关键词： 缺陷 第一性原理 3')" href="#">BaTiO₃     

LaAlO3/SrTiO3界面的电子结构及光学性质的第一性原理研究

采用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,结合局域密度近似（LDA）研究了钙钛矿结构氧化物LaAlO3 /SrTiO3界面的电子结构及光学性质。能带结构分析表明当形成(AlO2)-/(TiO2)0界面时其禁带宽度为1.888 eV,呈现绝缘体的性质,当形成(LaO)+/(SrO)0界面时其禁带宽度为0.021 eV,呈现半导体或半金属性质。同时,对不同界面的光学性质也进行了研究,结果表明纯相的LaAlO3和SrTiO3的吸收系数、反射系数及能量损失谱强度明显高于由这两种单质形成不同界面的强度。     

LaAlO3/SrTiO3界面的电子结构及光学性质的第一性原理研究

采用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,结合局域密度近似(LDA)研究了钙钛矿结构氧化物LaAlO3/SrTiO3界面的电子结构及光学性质.能带结构分析表明当形成(AlO2)-/(TiO2)0界面时其禁带宽度为1.888 eV,呈现绝缘体的性质,当形成(LaO)+/(SrO)0界面时其禁带宽度为0.021eV,呈现半导体或半金属性质.同时,对不同界面的光学性质也进行了研究,结果表明纯相的LaAlO3和SrTiO3的吸收系数、反射系数及能量损失谱强度明显高于由这两种单质形成不同界面的强度.     

不同组分厚度比的LaMnO3/SrTiO3异质界面电子结构和磁性的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算, 研究了(LaMnO₃)_n/(SrTiO₃)_m(LMO/STO)异质界面的离子弛豫、电子结构和磁性质. 研究表明, 不同组分厚度比及界面类型时, 离子弛豫程度各不相同, 并且界面处的电子性质受此影响较大. 对于n型界面, 当LMO的厚度达到6个单胞层后, 电子会从LMO转移到STO, 转移的电子占据界面层Ti原子的3d电子轨道, 界面处出现二维电子气. 对于n型界面(LMO)_n/(STO)₂, 随着LMO厚度数n的增加, 由离子弛豫造成的结构畸变减小, 而界面处Ti原子周围电子的态密度和自旋极化却增大, 表明高厚度比的n型界面有利于产生高迁移率的二维电子气和自旋极化. 而对于p型(LMO)₂/(STO)₈界面, 在STO一侧基本没有结构畸变, 界面处无电子转移和自旋极化现象. 通过计算平均静电势发现n型和p型界面处的势差大小相差2 eV, 解释了p型界面不容易发生电荷转移的原因.     

嵌埋Ni颗粒的BaTiO_3/SrTiO_3薄膜的相变特性

采用高温X射线原位衍射和变温介电谱对SrTiO3基底上外延生长的BaTiO3(嵌埋Ni颗粒)薄膜进行了相变特性分析。从X射线衍射和介电谱的分析结果得出,BaTiO3的相变温度点转变为弥散的温度区间。在这个弥散的相变温度区间内,由于基底和薄膜之间的失配,以及嵌埋Ni颗粒的应力作用,薄膜的介电响应弥散剧烈,并偏离德拜弛豫。分析Cole-Cole图获知,BaTiO3薄膜在四方相转变为立方相的相变过程中同时存在几种极化机制,在高温状态下介电损耗随温度增大而增大。降温过程中,薄膜没有立即恢复四方相,可能是基底和Ni颗粒的共同作用影响了相变弛豫。     

Al-N共掺杂3C-SiC介电性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法,建立了未掺杂,Al,N单掺杂和Al-N共掺杂3C-SiC的4种超晶胞模型,并分别对模型进行了几何结构优化,对比研究了其能带结构,态密度分布和介电常数.计算结果表明:Al掺杂会增大SiC的晶格常数,而N对SiC的晶格影响很小.Al掺杂会导致费米能级进入价带,使3C-SiC成为p型半导体,且带隙宽度略为加宽.N掺杂后的SiC其导带和价带均向低能端发生移动,带隙稍有减小.本征3C-SiC几乎不具备微波介电损耗性能.但是可以通过进行Al掺杂或N掺杂加以改善,Al掺杂后的效果尤为突出.计算发现Al-N共掺杂后的3C-SiC材料在8.2—12.4 GHz范围内其微波介电损耗性能急剧下降,与实验结果相符合,并对这一结果进行了讨论分析.     

LuI3 闪烁晶体的第一性原理研究

采用基于第一性原理的赝势和平面波方法计算了新型闪烁晶体基质材料 LuI₃的结构特性和电子特性. 计算结果表明: -4.4 eV附近有一个宽度约为0.2 eV的窄带, 主要是Lu的4f态; -3.55–0 eV之间的态组成了价带, 这主要是I的5p态; 2.44–12.35 eV之间的态组成了LuI₃的导带, 这主要来源于Lu的5d态, 其中还含有少量的Lu的6s态的贡献. 在-3.46 eV处, Lu的6s态、4f态和I的5p态同时出现了尖峰, 说明相邻的Lu原子的6s态, 4f态与I原子的5p态之间的相互作用强, 出现了杂化峰. 估算出LuI₃晶体的理论光产额约为100000 ph/MeV, 主要得益于LuI₃合适的带隙和能带结构. 关键词： 3')" href="#">LuI₃ 第一性原理 电子结构     

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     

K(Ta0.56Nb0.44)O3四方铁电结构的第一性原理研究

在广义梯度近似(GGA)下利用全电势线性化的缀加平面波法(FLAPW)的总能量计算,确定了K(Ta_0.56Nb_0.44)O₃固溶体的四方精细结构,即B位离子(Ta和Nb)在铁电相的平衡构型.结果表明,Ta相对于氧八面体沿[001]方向有约为0005nm的偏心位移,而Nb的偏心位移约为0016nm,铁电非稳的发生主要应归因于后者. 关键词：     

NH3分子在LiH(100)表面吸附的第一性原理研究

采用第一性原理方法研究了NH3分子在LiH(100)晶面的表面吸附情况. 通过研究LiH(100) /NH3体系的吸附位置、吸附能和电子结构,发现NH3分子在Li3N (100)晶面主要是化学吸附,初始位置为NH3分子中N-H键在Li顶位时失去一个H原子,并在LiH(110)面形成NH2基,其吸附能为0.511 eV,属于强化学吸附,吸附作用最强. 此时NH2基与附近H原子和Li原子之间为离子键作用,NH2基中N—H键为共价键;NH3分子中另一个H原子与LiH表面的一个H原子形成一个H2分子逸出表面. H2分子中H-Ｈ键为明显的共价键.     

钙钛矿结构ZrBeO3稳定性的第一性原理研究

基于密度泛函理论构建了钙钛矿结构ZrBeO3晶体模型,计算了该晶体模型结合能,表明了该构型热力学稳定性;计算出该结构在不同压力下的弹性常数,并据此计算了ZrBeO3的体积模量、剪切模量、杨氏模量、泊松比、BH/GH(体模量/剪切模量)等参数,结果表明该材料具有机械稳定性,随着等静压力增加,材料由脆性向韧性转变;计算了零压下ZrBeO3的硬度,为34.5 GPa,表明该结构晶体应为超硬材料;计算了ZrBeO3的声子能谱,结果表明ZrBeO3在低温零压下热动力学不稳定,为此分析比较了不同压力下的声子能谱、不同原子轨道及化学键布居值,研究表明随着压力增加,Be原子sp杂化后形成的Be-O共价键成分增强、Zr-O键离子键成分增强,晶格动力学趋于稳定。     

BiXO3 (X= Cr,Mn, Fe,Ni)结构稳定性的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的广义梯度近似方法和赝势平面波法的第一性原理计算及化学势的热力学平衡原理,对BiXO₃ (X= Cr, Mn, Fe, Ni)的结构稳定性进行了仔细的研究. 结果表明,这四种多铁化合物中, BiFeO₃最稳定, BiCrO₃次之, 而BiMnO3和BiNiO3则很难在热平衡条件下稳定,因此在样品制备中要多考虑热平衡之外的手段. 关键词： 3')" href="#">BiXO₃ 结构稳定性 第一性原理     

LiFePO4 晶格动力学性质的第一性原理研究

基于考虑了Fe-3d电子间的库仑作用U和交换作用J的GGA+U方案,应用第一性原理计算系统研究了LiFePO₄的晶格动力学性质.我们计算并分析了玻恩有效电荷张量、布里渊区中心的声子频率和声子色散曲线.玻恩有效电荷张量显示各向异性,佐证了LiFePO₄中锂离子沿一维通道[010]方向迁移的机理.布里渊区中心点声子频率的计算值和相应的实验结果符合得比较好. 关键词： 4')" href="#">LiFePO₄ 晶格动力学 第一性原理计算     

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.     

Ba(Mg1/3Nb2/3)O3电子结构第一性原理计算及光学性能研究

Ba(Mg_1/3Nb_2/3)O₃ (BMN)复合钙钛矿陶瓷具有高介电常数和高品质因子等介电性能, 预示了其在光学领域的应用前景. 本文采用第一性原理方法计算了BMN的电子结构, 对其本征光学性能进行分析和预测. 对固相合成六方相BMN的XRD 测试结果进行Rietveld精修(加权方差因子R_wp=6.73%, 方差因子R_p=5.05%), 在此基础上建立晶体结构模型并对其进行几何优化. 运用基于密度泛函理论(DFT)的平面波赝势方法, 对六方相BMN晶体模型的能带、态密度和光学性质进行理论计算. 结果表明BMN的能带结构为间接带隙, 禁带宽度E_g=2.728 eV. Mg-O和Ba-O以离子键结合为主, Nb-O以共价键结合为主, 费米面附近的能带主要由O-2p和Nb-4d 态电子占据, 形成了d-p轨道杂化. 修正带隙后, 计算了BMN沿[100]和[001]方向上的复介电函数、吸收系数和反射率等光学性质. 结果表明, BMN近乎光学各向同性, 在可见光区, 其本征透过率为77%< T <83%, 折射率为1.91< n <2.14, 并伴随一定的色散现象. 实验测试结果与理论计算结果相吻合.     

B-Al共掺杂3C-SiC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,计算了未掺杂,B,Al单掺杂和B-Al共掺杂的3C-SiC的晶格参数、能带结构、态密度、有效质量、载流子浓度和电阻率. 计算结果表明：掺杂后导带和价带都向高能端移动,价带移动速度更快一些,使得禁带宽度都有一定程度的减小,其中B-Al共掺杂的禁带宽度最窄,纯净3C-SiC的禁带宽度最宽;B掺杂会减小价带顶空穴的有效质量,Al掺杂则反之,B-Al共掺杂补偿了二者的差异,和未掺杂的3C-SiC价带顶空穴的有效质量很接近. B和Al作为受主杂质,会极大地提高价带顶空穴载流子的浓度,而且B-Al共掺杂的3C-SiC的价带空穴浓度是B,Al单掺杂时的3倍. 4种体系中,B-Al共掺杂得到的电阻率是最低的,同单掺杂相比具有明显的性能优势. 关键词： 3C-SiC B-Al共掺杂 电阻率 第一性原理     

BiFeO_3结构性质与相转变的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,系统地研究了BiFeO3的7种不同空间群(R3c,R3m,P4mm,Cm,Pm3m,R3m和R3c)结构及其转变关系.结果表明,铁电相R3c结构是基态,不同结构之间也存在着一定的转变关系,其变化主要包括两种形式,在[111]方向上Bi3+相对FeO6八面体存在一定的位移和FeO6八面体绕[111]极化轴的反铁扭曲旋转.此外,还得出BiFeO3的薄膜结构受到衬底结构的作用会导致其从三方相(R3c)向四方相(P4mm)转变.     

(InAs)1/(GaSb)1超晶格纳米线第一原理研究

半导体纳米线作为纳米器件的作用区和连接部分具有理想的形状, 把电子运动和原子周期性限制在一维结构当中.通过体材料的已知特性, 有效地选择材料组分使纳米线的低维结构优点更加突出.此外, 还可以通过其他方式来调整纳米线特性, 如控制纳米线直径、晶体学生长方向、结构相、表面晶体学晶面和饱和 度等内部或固有的特性;施加电场、磁场、热场和力场等外部影响. 体材料InAs和GaSb的晶格常数非常相近, 因此InAs/GaSb异质结构晶格失配很小, 可生长成为优良的红外光电子材料.另外, 体材料InAs在二元III---V化合物半导体中具有最低的有效质量, 这使得电子限制在InAs层的InAs/GaSb超晶格具有良好的输运特性. 本文通过第一原理计算研究轴线沿[001]和[111]闪锌矿晶体学方向的 (InAs)₁/(GaSb)₁超晶格纳米线(下标表示分子或双原子单层的数量) 的结构、电子和力学特性, 以及它们随纳米线直径(线径约为0.5---2.0 nm)的变化规律.另外, 分析了外部施加的应力对电子特性的影响, 考察了不同线径(InAs)₁/(GaSb)₁超晶格纳米线的电子带边能级随轴向应变的变化, 从而确定超晶格电子能带的带边变形势.     

BiTiO3电子结构及光学性质的第一性原理研究

采用基于第一性原理的赝势平面波方法, 对BiTiO₃的多种结构进行了计算. 计算结果表明, C1C1结构最为稳定, 对应晶格参数为a=b=5.606 Å, c=9.954 Å; α=β=105.1°, γ=61.2°. 进一步对C1C1结构的BiTiO₃的能带结构、电子性质和光学性质进行了研究, 发现BiTiO₃是间接带隙半导体, 其费米面附近的能带主要由Ti-3d和O-2p层的电子态构成. 通过介电函数、复折射率和反射率等的研究, 发现BiTiO₃的光学性质为近各向同性.