稀土元素La掺杂对AlN性能影响的第一性原理研究

本文通过基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了稀土元素La掺杂对纤锌矿结构AlN力学性能及压电性能的影响.计算得到的AlN各项力学性能及压电性能与实验值较吻合.掺杂稀土元素La会降低其体模量、剪切模量与杨氏模量,但会使AlN由脆性材料转变为韧性材料.压电性能计算结果表明,掺杂稀土元素La后,可使体系的压电性能提升15%左右.电子结构分析结果表明La的引入会降低体系中化学键的作用强度,从而提升了体系的塑性及压电性能.     

Mo掺杂4H-SiC的磁性和光学性能的第一性原理研究

基于第一性原理密度泛函理论（DFT）的广义梯度近似（GGA）的平面波赝势法（PBE）,计算了4H-SiC的本征体系、过渡金属元素Mo单掺杂4H-SiC体系的电子结构、磁性和光学特性。结果表明：Mo掺杂将导致4H-SiC由本征非磁性变为p型磁性半导体材料,其带隙值由2.88 eV 变为0.55 eV。当Mo掺杂浓度为1.359×1021 cm-3时,磁矩为0.98 ,这表明掺Mo后的4H-SiC材料可以作为自旋电子元器件的备选材料。此外,Mo掺杂4H-SiC体系在（100）和（001）方向的静态介电常数分别为3.780和3.969。介质函数虚部不为0的起始点发生红移,表明掺杂使电子更容易跃迁。     

Pt-N共掺杂闪锌矿ZnS光催化性质的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理计算Pt、N单掺杂及Pt-N不同位置共掺杂闪锌矿ZnS的晶型结构、电荷布局、电子结构以及光学性质.计算结果表明,Pt单掺杂后晶格体积增大,N单掺杂后的晶格体积减小,Pt-N共掺杂时的相对位置不同,晶格参数及电荷布局均存在差异,从而对体系的畸变产生不同影响.形成能计算表明Pt、N非邻位共掺杂相对于邻位共掺杂体系更易实现.电子结构计算结果表明,Pt掺杂ZnS后使材料表现出了一定的金属属性;共掺杂体系中,随着Pt-N距离的增大,N-2p轨道与Zn-3d在价带深能级的局域化作用减弱,价带部分的N-2p轨道逐渐聚集于费米能级附近形成杂质能级,有助于光生电子的跃迁,提高光催化效率.光学性质计算结果表明,共掺杂Pt-N间距离越大,低能区的介电常数虚部ε_2的峰值越大,在可见光区的吸收峰值也越大.     

Tl掺杂对InI禁带宽度和吸收边带影响的第一性原理研究

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,建立了未掺杂与不同浓度的Tl原子取代In原子的In1-xTlxI超胞模型,分别对模型进行了几何优化、能带分布、态密度分布和吸收光谱的计算.结果表明:Tl掺杂浓度越小,In1-xTlxI形成能越低,晶体结构越稳定;Tl的掺入使得InI体系导带向高能方向移动,而价带顶位置基本没变,导致禁带宽度变宽,InI吸收光谱出现明显蓝移现象.     

Ga高掺杂对ZnO的最小光学带隙和吸收带边影响的第一性原理研究

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, 建立了纯的和四种不同Ga掺杂量的ZnO超胞模型, 分别对模型进行了几何结构优化、能带结构分布、态密度分布和吸收光谱的计算. 结果表明, 在本文限定的Ga掺杂量2.08 at%–6.25 at%的范围内, 随着Ga掺杂量的增加, 掺杂后的ZnO体系体积变化不是很大, 但是, 掺杂体系ZnO的能量增加, 掺杂体系变得越来越不稳定, 同时, 掺杂体系ZnO的Burstein-Moss 效应越显著, 最小光学带隙变得越宽, 吸收带边越向高能方向移动. 计算结果和实验结果相一致. 关键词： Ga高掺杂ZnO 电子结构 吸收光谱 第一性原理     

La掺杂6H-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6H-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6H-SiC是间接带隙半导体,其禁带宽度为2.045 eV,掺杂La元素,形成P型间接半导体,带隙宽度下降为0.886 eV.未掺杂6H-SiC在价带的低能区,Si-3s、C-2s电子轨道对态密度的贡献较大,在价带的高能区,主要是由Si-3p、Si-3s、C-2p态组成.掺杂后La的5d轨道与6H-SiC的sp~3轨道杂化主要贡献在价带部分,而对导带的贡献相对较小,掺杂后电导率提高.未掺杂时,只有一个介电峰,是价带电子跃迁到导带电子所致,掺杂后有两个介电峰,其中第一个介电峰是由sp~3杂化轨道上的电子跃迁到La原子5d轨道上产生.未掺杂6H-SiC,在能量为10.31处吸收系数达到最大值,掺杂后在能量为7.35 eV处,吸收系数达到最大值.     

Al高掺杂浓度对ZnO禁带和吸收光谱影响的第一性原理研究

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法, 建立了未掺杂与不同浓度的Al原子取代Zn原子的两种Zn_1-xAl_xO超胞模型,分别对模型进行了几何结构优化、态密度分布和能带分布的计算. 结果表明: ZnO高掺杂Al的条件下, 掺杂的Al原子浓度越大,间隙带越窄, 蓝移越弱. 计算结果和实验结果相一致.     

Ga掺杂ZnO电子结构和吸收光谱的第一性原理研究

采用第一性原理的平面波赝势方法和广义梯度近似,研究了纤锌矿ZnO掺杂Ga前后的电子结构和光学性质.计算结果表明,ZnO中引入杂质Ga后,导带底主要由Ga4s态和Zn4s态构成,并且Ga4s态跨过费米能级,形成n型半导体.计算得到电子浓度为2.42×10~(21)cm~(-3),掺Ga有效提高了ZnO的载流子浓度.同时ZnO掺Ga后,ZnO的光学带隙从3.47 eV展宽为4.25 eV,并且在可见光区几乎无吸收,是理想的透明导电材料.     

La掺杂3C-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,对未掺杂及稀土材料La掺杂3C-SiC的电子结构和光学性质进行理论计算.计算结果表明,La掺杂引起3C-SiC晶格体积增大,掺杂体系能量更小,掺杂体系的结构更稳定;未掺杂3C-SiC是直接带隙半导体,其禁带宽度为1.406 eV,La掺杂后带隙宽度下降为1.161 eV,La掺杂3C-SiC引入了3条杂质能级,能量较高的1条杂质能级与费米能级发生交叠,另外2条杂质能级都在费米能级以下价带顶之上,La掺杂引起3C-SiC吸收谱往低能区移动,未掺杂3C-SiC的静态介电常数为2.66,La掺杂引起静态介电常数增加为406.01,La掺杂3C-SiC是负介电半导体材料.     

Mn高掺杂浓度对ZnO禁带宽度和吸收光谱影响的第一性原理研究

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法, 建立了未掺杂与不同浓度的Mn原子取代Zn原子的三种Zn_1-xMn_xO超胞模型, 分别对模型进行了几何结构优化、态密度分布、能带分布和吸收光谱的计算. 结果表明: 电子非自旋极化处理的条件下, Mn掺杂浓度越小, ZnO形成能越小, 掺杂越容易, 晶体结构越稳定; Mn的掺入使得ZnO体系的杂质能带和导带发生简并化, 并且导带底和价带底同时向低能方向移动, 掺杂后的导带比价带下降得少导致禁带宽度变宽, ZnO吸收光谱明显出现蓝移现象, 计算结果和实验结果相一致. 同时, 电子自旋极化处理的条件下, 体系有磁性, 吸收光谱发生红移现象. 计算结果与相关实验结果相符合.     

ZnS掺Ag与Zn空位缺陷的电子结构和光学性质

本文基于第一性原理平面波赝势(PWP)和广义梯度近似(GGA)方法,对ZnS闪锌矿结构本体、掺入p型杂质Ag和Zn空位超晶胞进行结构优化处理. 计算了三种体系下ZnS材料的电子结构和光学性质,并从理论上给出了p型ZnS难以形成的原因. 详细分析了其平衡晶格常数、能带结构、电子态密度分布和光学性质.结果表明:在Ag掺杂与Zn空位ZnS体系中,由于缺陷能级的引入,禁带宽度有所减小,在可见光区电子跃迁明显增强. 关键词： 硫化锌 缺陷 电子结构 光学性质     

Effect of La doping on the electronic structure and optical properties of ZnO

The electronic structure and optical properties of ZnO doped with La have been investigated using density functional theory based on first-principles ultrasoft pseudopotential method. The calculated results show that the La doping increases the bandgap of ZnO, in agreement with the experimental results; while the Fermi level shifts into the conduction band, revealing the so-called Burstein-Moss effect. In comparison to pure ZnO, a new peak appears in the imaginary part of dielectric function in the system doped with La and the optical absorption edge has been obviously changed. Moreover, the covalent property of Zn_1−xLa_xO is found to weaken with the increase of La concentration.     

基于第一性原理研究Y掺杂锐钛矿TiO2的磁光性质

基于第一性原理计算,建立了未掺杂和三种Y掺杂量的锐钛矿TiO2模型。对各个模型的形成能、磁性、电子结构及吸收光谱进行了计算。结果表明：掺入锐钛矿晶格的不同Y原子之间没有团簇趋势;Y掺杂量越大,实现掺杂所需的能量越高;Y掺杂的锐钛矿体系具有铁磁性,因而晶格中的自旋能级分裂效应能降低锐钛矿的带隙宽度,但当Y掺杂量升高时,这种影响显著减弱;随着Y掺杂量增加,弱束缚的O-2p态电子浓度增加,导致价带顶的O-2p态跨越费米能级,使得带隙值减小,进而提高了改性锐钛矿TiO2对可见光的吸收系数。     

BaZrO3和CaZrO3能带和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论基础上的CASTEP软件包,计算了BaZrO3和CaZrO3的能带以及光学性质.计算得到BaZrO3直接带隙和间接带隙分别为3.49 eV和3.23eV,CaZrO3直接带隙和间接带隙分别为3.73 eV和3.38 eV.对这两种材料的介电函数、吸收系数、反射系数、折射系数、湮灭系数和能量损失系数等光学系数进行了计算,并基于电子能带对光学性质进行了解释.得出,光学特性的异同是由于其内部微观结构上的异同所引起的.     

First-principles calculations for electronic, optical and thermodynamic properties of ZnS

The electronic, optical and thermodynamic properties of ZnS in the zinc-blende （ZB） and wurtzite （WZ） structures are investigated by using the plane-wave pseudopotential density functional theory （DFT）. The results obtained are consistent with other theoretical results and the available experimental data. When the pressures are above 20.5 and 27 GPa, the ZB-ZnS and the WZ-ZnS are converted into indirect gap semiconductors, respectively. The critical point structure of the frequency-dependent complex dielectric function is investigated and analysed to identify the optical transitions. Moreover, the values of heat capacity Cv and Debye temperature θ at different pressures and different temperatures are also obtained successfully.     

Ga空位对GaN:Gd体系磁性影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理结合投影缀加平面波的方法,研究了GaN中Ga被稀土元素Gd替代以及与邻近N或Ga空位组成的缺陷复合体的晶格常数、磁矩、形成能以及电子结构等性质.结果发现,Gd掺杂GaN后禁带宽度变窄,由直接带隙半导体转为间接带隙半导体;单个Gd原子掺杂给体系引入大约7μB的磁矩;在Gd与Ga或N空位形成的缺陷复合体系中,N空位对引入磁矩贡献很小,大约0.1μB,Ga空位能引入约2μB的磁矩.随着Ga空位的增多,体系总磁矩增加,但增加量与Ga空位的位置分布密切相关.当Ga空位分布较为稀疏时,Gd单原子磁矩受影响较小,但当Ga空位距离较近且倾向于形成团簇时,Gd单原子磁矩明显增加,而且这种情况下空位形成能也最小.     

Ga掺杂ZnS的电子结构和光学性质

本文基于第一性原理平面波赝势（PWP）和广义梯度近似（GGA）方法,对ZnS闪锌矿结构掺入杂质Ga体系进行结构优化处理. 计算了该体系下ZnS材料的电子结构和光学性质. 详细分析了其平衡晶格常数、能带结构、电子态密度分布和光学性质．结果表明：由于杂质Ga的引入,ZnS体系体积略有膨胀,并在在费米面附近出现了深施主能级,单纯的通过Ga掺杂来实现低阻ｎ型ZnS材料较为困难;由于杂质能级的引入,整个介电峰向低能方向偏移,电子在可见光区的跃迁显著增强．