应变对纤锌矿结构GaN电子结构及光学性质的影响

使用第一性原理密度泛函理论（DFT）框架下的广义梯度近似（GGA+U）方法计算单轴应变对纤锌矿结构GaN的键长、差分电荷密度、电子结构以及光学性质的影响.结果表明：带隙随应变的增加而减小,压应变在（-1%~-3%）范围内变化时带隙变化不明显,压应变超过3%时带隙随应变的增大显著减小.光学性质研究表明,应变对介电函数虚部峰的位置和大小都产生影响,静态介电常数随应变的增大而增大;应变使GaN的吸收系数减小.     

ZnO材料电子结构的第一性原理计算研究*

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法,研究了ZnO的纤锌矿结构、类石墨结构、闪锌矿结构和氯化钠结构的电子结构。结果表明：ZnO的纤锌矿结构是这四种结构中最稳定的结构;ZnO是一个离子性较强而共价键较弱的混合键金属氧化物半导体材料;ZnO的氯化钠结构是典型的间接带隙能带结构,其余均是直接带隙半导体能带结构。     

高压下AlN的电子结构和光学性质

运用密度泛函理论体系下的平面波赝势(PWP)和广义梯度近似(GGA)方法,利用第一性原理计算了不同压强下六方纤锌矿结构AlN晶体的晶格常数、总能量、电子态密度、能带结构、光反射系数与吸收系数。通过比较能带结构的变化行为,得出 AlN在16.7Gpa附近存在等结构相变,即由直接带隙结构转变为间接带隙结构。同时,结合高压下的态密度分布图和能级移动情况,分析了AlN在高压下的光学性质,吸收谱有向高能端移动(蓝移) 的趋势。     

高压下AlN的电子结构和光学性质

运用密度泛函理论体系下的平面波赝势(PWP)和广义梯度近似(GGA)方法，利用第一性原理计算了不同压强下六方纤锌矿结构AlN晶体的晶格常数、总能量、电子态密度、能带结构、光反射系数与吸收系数。通过比较能带结构的变化行为，得出 AlN在16.7Gpa附近存在等结构相变，即由直接带隙结构转变为间接带隙结构。同时，结合高压下的态密度分布图和能级移动情况，分析了AlN在高压下的光学性质，吸收谱有向高能端移动(蓝移) 的趋势。     

加压下ZnO结构相变和电子结构的第一性原理计算

基于密度泛函(DFT)理论的第一性原理,计算半导体ZnO纤锌矿结构和岩盐矿结构状态方程及其在高压下的相变,分析加压下体相ZnO的晶格常数、电子态密度和带隙随压力的变化关系,并将计算结果与文献中的理论和实验数据进行比较.验证在计算金属氧化物时,应用局域密度(LDA)近似计算出的相变压力普遍偏高,采用广义梯度(GGA)近似得到的结果与实验符合较好.     

ZnTe结构相变、电子结构和光学性质的研究

运用密度泛函理论体系下的投影缀加波方法, 对闪锌矿和朱砂相结构的ZnTe在高压下的状态方程和结构相变进行了研究, 并分析了相变前后的原胞体积、电子结构和光学性质. 结果表明: 闪锌矿结构转变为朱砂相结构的相变压力为8.6 GPa, 并没有出现类似材料高压导致的金属化现象, 而是表现出间接带隙半导体特性. 相变后, 朱砂相结构Zn和Te原子态密度分布均向低能级方向移动, 带隙变小; 轨道杂化增强, 更有利于Te 5p与Zn 3d间的电子跃迁, 介电常数虚部主峰明显增强, 但宏观介电常数不受压力的影响.     

ZnS结构相变、电子结构和光学性质的研究

运用第一性原理平面波赝势和广义梯度近似方法, 对闪锌矿结构(ZB)和氯化钠结构(RS) ZnS的状态方程及其在高压下的相变进行计算研究, 分析相变点附近的电子态密度、能带结构和光学性质的变化机理. 结果表明: 通过状态方程得到ZB相到RS相的相变压强值为18.1 GPa, 而利用焓相等原理得到的相变压强值为18.0 GPa; 在结构相变过程中, sp³轨道杂化现象并未消失, RS相ZnS的金属性明显增强; 与ZB相ZnS相比, RS相ZnS的介电常数主峰明显增强, 并向低能方向出现了明显偏移, 使得介电峰向低能方向拓展, 在低能区电子跃迁大大增强. 关键词： 硫化锌 相变 电子结构 光学性质     

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第一性原理平面波超软赝势法,对理想纤锌矿Al N及不同浓度的Cu掺杂Al N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,随着Cu掺杂浓度的增加,Cu 3d态电子与其近邻的N 2p态电子杂化减弱,体系由直接带隙半导体的半金属铁磁性向间接带隙半导体的金属性转变,体系磁矩减弱,最后消失.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.     

Mn掺杂GaN电子结构和光学性质研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法计算不同Mn浓度掺杂GaN晶体的电子结构和光学性质.计算结果表明Mn掺杂GaN使得Mn 3d与N 2p轨道杂化,产生自旋极化杂质带,材料表现为半金属性,非常适于自旋注入,说明该种材料是实现自旋电子器件的理想材料,折射率在带隙处出现峰值,紫外区光吸收系数随Mn浓度的增加而增大. 关键词： Mn掺杂GaN 第一性原理 电子结构 光学性质     

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.     

CrI_3高压相变及其光学性质理论研究

利用第一性原理计算方法,探讨了体相CrI_3在低温斜方六面体结构(■,BiI_3-type)及高压单斜结构(C2/m,AlCl_3-type)的相变、电子结构和光学性质.计算结果显示,半导体CrI_3当压强增加到26.1GPa时,高压导致的晶格畸变致使CrI_3从相■变化到相C2/m;原子之间的错位位移,使导带处的能带发生下移,价带处的能带发生了一定程度的上移,导致带隙减小.两种相的光学性质进一步验证了这些特性.     

ZnSe相变、电子结构的第一性原理计算

基于第一性原理平面波赝势(PWP)和广义梯度近似(GGA)方法,对闪锌矿结构(ZB)和岩盐结构(RS)的ZnSe在0—20GPa高压下的几何结构、态密度、能带结构进行了计算研究,分析了闪锌矿结构ZnSe和岩盐结构ZnSe的几何结构.在此基础上,研究了ZnSe的结构相变、弹性常数、成键情况以及相变压强下电子结构的变化机理.结果发现:通过焓相等原理得到的ZB相到RS相的相变压强为15.3GPa,而由弹性常数判据得到的相变压强为11.52GPa,但在9.5GPa左右并没有发现简单立方相的出现;在结构相变过程中,sp3轨道杂化现象并未消除,Zn原子的4s电子在RS相ZnSe的导电性中起主要贡献.     

Spectroscopy of II–VI nanocrystals at high pressure and high temperature

We review experimental measurements of CdS, CdSe, and CdS_xSe_{1 − x} nanocrystals which address the properties and phase stability of both powder and embedded nanoparticles under extreme conditions. We address the high pressure phase transition of wurtzite or zincblende phase to the rock salt structure; the high temperature solid to liquid phase transition; and the homogeneous nucleation of nanoparticles in glass from dissolved reactants. We also review the use of high pressure optical measurements to study electronic states.     

Ag掺杂氧化锌纳米材料的制备及高压相变拉曼光谱研究

宽禁带直接带隙半导体材料氧化锌（ZnO）,具有优异的光电性能、机械性能和化学特性。ZnO材料的结构对其性能影响较大,元素掺杂可改变ZnO晶体结构和带隙宽度,是提升ZnO材料性能的有效手段,当前常用Ag掺杂ZnO即为提高光催化反应效率。高压独立于温度、成分,是调控材料结构组织性能的重要手段,是产生新材料、发现新调控原理的重要因素。该研究通过对比纯ZnO晶体和Ag掺杂ZnO晶体的高压相变行为,揭示了元素掺杂对ZnO纳米晶体材料结构性能的影响。研究首先采用水热法辅助制备纯ZnO纳米微球和Ag掺杂ZnO纳米微球（1∶150Ag/ZnO）,表征结果显示水热法合成的纯ZnO和1∶150Ag/ZnO均为六角纤锌矿晶体结构,形貌均为几十纳米尺寸小颗粒堆积形成的微球,ZnO晶格常数随着Ag离子掺杂而变大,Ag掺杂导致ZnO晶格膨胀。随后应用金刚石压腔结合原位拉曼光谱技术测定了纯ZnO和Ag掺杂ZnO的高压结构相变行为。相比于纯ZnO拉曼峰,Ag掺杂ZnO的E₂（high）振动模式439 cm-1拉曼峰峰宽变窄,并呈现向低频方向移动的趋势,与无定形ZnO谱峰相近,表明Ag+取代Zn2+影响了Zn-O键,同时也影响了ZnO晶格结构的长程有序性。随体系压力增大,表征六角纤锌矿结构ZnO的拉曼特征峰439 cm-1出现瞬间弱化和宽化。压力增大至9.0 GPa时,纤锌矿结构ZnO拉曼特征峰439 cm-1消失,585 cm-1处出现新峰,ZnO晶体发生由六角纤锌矿向岩盐矿的结构转变。压力继续增大至11.5 GPa,新的拉曼峰显著增强,峰形变窄,同时向高波数方向移动,相变完成,岩盐矿结构ZnO性能稳定。1∶150 Ag/ZnO从六角纤锌矿结构到立方岩盐结构的相变压力为7.2 GPa,低于纯ZnO。相变压力降低表明晶体结构稳定性下降,可能的原因在于掺杂Ag导致ZnO晶格膨胀,晶体结构松弛,两相相对体积变化增加,从而导致相变势垒降低,使样品在较低压力下发生相变。纳米材料的高压研究揭示了元素掺杂对材料结构稳定性的影响,是纳米材料调控原理的潜在研究手段。     

压力下氮化铝相转变及结构性质的第一性原理研究

利用密度泛函理论(DFT)研究了AlN的六角纤锌矿结构(B4),岩盐矿结构(B1),过渡态中间相六方结构(Hexa)和过渡态中间相四方结构(Tetra),计算了AlN在不同压力下B4和B1结构和过渡态中间相六方结构和四方结构的焓值,计算发现B4和B1相的转变压力是17.27 GPa,低压区中间相六方结构稳定,高压区中间相四方结构更稳定,AlN的常见的B4结构是直接带隙结构,带隙宽度是4.095 eV,带隙宽度与外压力之间关系符合二次函数方程,与其它理论研究结果一致.     

稀土元素(La,Y)掺杂GaN的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对稀土元素La,Y单掺杂和La和Y共掺杂GaN的晶格常数、电子结构及光学性质进行了计算与分析.计算结果表明:掺杂改变了GaN的能带结构,未掺杂和Y掺杂形成导带底和价带顶位于G点的直接带隙半导体,而La掺杂和La和Y共掺杂形成导带底位于G点,价带顶位于Q点的间接带隙半导体.可以通过掺杂元素来调制GaN的禁带宽度和带隙类型,掺杂均提高GaN在低能区的静态介电常数、反射率、折射率,使光子的跃迁强度增大,说明稀土元素La,Y掺杂可有效调制GaN的光电性质.     

Ab Initio Comparative Study of Zincblende and Wurtzite ZnO

By employing the first-principles pseudopotential plane-wave method, the physical properties of zincblende ZnO are investigated in comparison with those of the common wurtzite structure. Zincblende ZnO is predicted to be a direct gap semiconductor. Compared to the wurtzite structure, the zincblende ZnO is characterized by smaller bandgap and pressure coefficient, larger electron effective mass, increasing static dielectric constants and more covalent bonding. Furthermore, the optical properties including dielectric function and energy loss function of zincblende ZnO were obtained and analysed with some features. These aspects reveal promising applications of zincblende ZnO in optoelectronic devices.