六方AlN本征缺陷的第一性原理研究

用基于密度泛函理论平面波赝势法首先对六方AlN本征点缺陷(氮空位、铝空位、氮替代铝、铝替代氮、氮间隙、铝间隙)存在时的晶格结构进行优化，得到其稳定结构；然后通过各缺陷形成能的计算可得知其在生长过程中形成的难易程度；最后从态密度的角度对各种本征点缺陷引起的缺陷能级及电子占据情况进行了分析.发现除氮空位外其他本征缺陷在带隙中形成的能级都很深，要得到n型或p型AlN必须要引入外来杂质.计算得到的本征缺陷能级对于分析AlN的一些非带边辐射机理有重要帮助. 关键词： 六方AlN 形成能 缺陷能级 态密度     

KDP晶体本征中性点缺陷的第一性研究

 用第一性原理研究了KH2PO4(KDP)晶体中性本征点缺陷的形成能并计算了常温下点缺陷的浓度。计算得到中性填隙氢原子的形成能为2.05 eV,进而得到298 K下的浓度约为1.21×10^-17 mol/L。由于填隙氢原子在带隙中形成缺陷能级,并使能隙降低了2.6 eV, 因此消除填隙氢原子有利于提高晶体在355 nm附近的激光损伤阈值。计算得到的氧间隙、氧空位、钾空位和氢空位的形成能分别为0.60、5.25、6.50 和6.58 eV,常温下它们在晶体中也以较高的浓度存在。钾空位使晶胞体积增大约3.2%,并可能提高晶体电导率,从而降低光损伤阈值。P取代K的反位结构缺陷形成能尽管较低(4.1 eV), 但由于晶体生长溶液中P是以PO4四面体的形式存在,故此点缺陷的存在几率很小。     

金红石相和锐钛矿相TiO2本征缺陷的第一性原理计算

采用第一性原理的计算方法, 分别研究了金红石相和锐钛矿相TiO₂各种缺陷态形成的类型, 以及几何结构、生长气氛和Fermi能级位置对缺陷形成能的影响, 从理论上预测产生点缺陷的实验条件. 重点是讨论带电点缺陷的形成能, 并对结果进行适当修正. 研究发现, 本征缺陷的类型和浓度对 TiO₂的性能有一定的影响: 在富O条件下, TiO₂容易形成V_Ti(Ti空位)缺陷; 在富Ti条件下, TiO₂的Ti_i⁴⁺和V_O(O空位)缺陷将大量出现, 形成Schottky缺陷.     

α-Fe氦缺陷及弹性模量的第一性原理研究

基于密度泛函理论,针对聚变堆结构钢中子辐照后氦效应进行第一性原理模拟研究.通过计算α-Fe中He缺陷形成能,来分析不同类型He缺陷相对稳定性及磁性的影响,并针对相对稳定的替位He缺陷,计算氦缺陷对α-Fe弹性模量的影响.结果表明:磁性对替位氦缺陷影响较小,结合态密度数据可知,替位氦可能引起晶格常数增大和体模量降低,且氦相对浓度减小可能会引起对弹性模量降低影响的弱化.     

α-Fe氦缺陷及弹性模量的第一性原理研究

基于密度泛函理论, 针对聚变堆结构钢中子辐照后氦效应进行第一性原理模拟研究. 通过计算α-Fe中He缺陷形成能, 来分析不同类型He缺陷相对稳定性及磁性的影响, 并针对相对稳定的替位He缺陷, 计算氦缺陷对α-Fe弹性模量的影响. 结果表明: 磁性对替位氦缺陷影响较小, 结合态密度数据可知, 替位氦可能引起晶格常数增大和体模量降低, 且氦相对浓度减小可能会引起对弹性模量降低影响的弱化．     

Fe-Cr-Ni合金中点缺陷形成及相互作用的第一性原理研究

奥氏体不锈钢由于具有良好的力学性能和耐腐蚀性,被广泛应用于核电工业。奥氏体不锈钢受辐照会产生多种点缺陷,进而影响材料力学性能。为了研究304NG奥氏体不锈钢中点缺陷的产生机理,以面心立方Fe-Cr-Ni合金为模型,利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了多种点缺陷结构的晶格常数,形成能,结合能,扩散迁移及相互作用,并计算了γ-Fe中相应的的性质作为对照.研究结果表明：Fe空位和Fe-Fe <100>哑铃是Fe-Cr-Ni合金中容易形成的点缺陷.基于对这两种点缺陷的迁移能垒分析,发现Fe-Fe <100>哑铃要比空位更易迁移.在Fe-Cr-Ni合金中相邻Fe空位存在吸引作用,会促进孔洞的形成;Fe空位-Fe-Fe <100>哑铃及Fe空位-Fe-Cr <100>哑铃均存在较弱的排斥作用,此外,在第一近邻位置和第二近邻位置的八面体间隙Fe原子都会和空位结合,使体系恢复为完整晶胞.     

内在缺陷与Cu掺杂共存对ZnO电磁光学性质影响的第一性原理研究

采用基于自旋密度泛函理论的平面波超软赝势方法,研究了Cu掺杂ZnO (简称Cu_(Zn))与内在缺陷共存对ZnO电磁光性质的影响.结果表明,Cu是以替位受主的形式掺入的;制备条件对Cu_(Zn)及内在缺陷的形成起至关重要的作用,富氧条件下Cu掺杂有利于内在缺陷的形成,且Cu_(Zn)-O_i最易形成;相反在缺氧条件下,Cu掺杂不利于内在缺陷的形成.替位Cu的3d电子在价带顶形成未占据受主能级,产生p导电类型.与Cu_(Zn)体系相比,Cu_(Zn)-V_O体系中载流子浓度降低,导电性变差;Cu_(Zn)-V_(Zn)体系中载流子浓度几乎不变,对导电性没影响;Cu_(Zn)-O_i体系中载流子浓度升高,导电性增强.纯ZnO体系无磁性;而Cu掺杂ZnO体系,与Cu原子相连的O原子,电负性越小,键长越短,对磁矩贡献越大;Cu_(Zn)与Cu_(Zn)-O_i体系中的磁矩主要是Cu的3d电子与Z轴上O的2p电子耦合产生的;Cu_(Zn)中存在空位缺陷(V_O,V_(Zn))时,磁矩主要是Cu 3d电子与XY平面内O的2p电子强烈耦合所致;Cu_(Zn)中存在V_(Zn)时,磁性还包含V_(Zn)周围0(5, 6)号原子2p轨道自旋极化的贡献;所有体系中Zn原子自旋对称,不产生磁性.Cu_(Zn)-V_(Zn)和Cu_(Zn)-O_i缺陷能态中,深能级中产生的诱导态是0-0 2s电子相互作用产生的.Cu_(Zn)模型的光学带隙减小,导致吸收边红移;Cu_(Zn)-V_(Zn)模型中吸收和反射都增强,使得透射率降低.     

氮化铟p型掺杂的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的总体能量平面波超软赝势法，对Mg，Zn，Cd掺杂InN的32原子超原胞体系进行了几何结构优化，从理论上给出了掺杂和非掺杂体系的晶体结构参数，其中非掺杂体系的理论值与实验值符合很好. 计算了掺杂InN晶体的结合能，总体态密度、集居数，差分电荷密度，并对此做了细致的分析. 计算结果表明，相对于Zn和Cd，Mg_In在InN中的溶解度会更大，并能提供更多的空穴态，非常有利于InN的p型掺杂. 关键词： 氮化铟 p型掺杂 电子结构 第一性原理     

Ni-X-In(X=Mn,Fe和Co)合金的缺陷稳定性和磁性能的第一性原理研究

Ni-Mn-In是一种新型的磁控形状记忆合金, 它通过磁场诱导逆马氏体相变实现形状记忆效应. 实验中常围绕化学计量比Ni₂MnIn合金进行成分调整, 以获得适宜的马氏体相变温度与居里温度, 在这个过程中必然会产生多种点缺陷. 本文使用量子力学计算软件包VASP, 在密度泛函理论的框架下通过第一原理计算, 系统地研究了非化学计量比Ni-X-In(X=Mn, Fe 和Co)合金的缺陷形成能和磁性能. 反位缺陷中, In和Ni在X亚晶格的反位缺陷(In_X和Ni_X)的形成能最低, Ni和X反位于Y的亚晶格(Ni_Y和X_Y)得到较高的形成能. 因此, In原子可以稳定立方母相的结构, 而X原子对母相结构稳定性的影响则相反; 空位缺陷中最高的形成能出现在In空位缺陷, 再次肯定了In原子对稳定母相结构的作用. 此外, 详细研究了点缺陷周围原子的磁性能以及电荷分布. 本文的计算结果在指导实验中的成分设计和开发新型磁控形状记忆合金方面具有重要意义.     

金红石TiO_2中本征缺陷扩散性质的第一性原理计算

基于密度泛函理论的爬坡弹性带方法,对金红石相二氧化钛晶体中钛间隙、钛空位、氧间隙、氧空位4种本征缺陷的扩散特征进行了研究.对比4种本征缺陷在晶格内部沿不同扩散路径的过渡态势垒后发现,缺陷扩散过程呈现出明显的各向异性.其中,钛间隙和氧间隙沿[001]方向具有最小的扩散势垒路径,激活能分别为0.505 eV和0.859 eV;氧空位和钛空位的势垒最小的扩散路径分别沿[110]方向和[111]方向,激活能分别为0.735 eV和2.375 eV.     

Ge掺杂对InI导电性能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,在相同环境条件下对不同浓度Ge掺杂的In I导电性能进行了研究.建立了由不同浓度的Ge原子替代In原子的In1-x Ge x I(x=0,0.125,0.25)模型.对低温下高掺杂Ge原子的In1-x Ge x I半导体的优化参数、总态密度、能带结构进行了计算.结果表明:Ge的掺入使In1-x Ge x I材料的体积减小,总能量升高,稳定性降低;Ge原子浓度越大,进入导带的相对电子数量越多,In1-x Ge x I电子迁移率减小,电阻率增大,同时最小光学带隙也增大,有利于改善体系的核探测性能.     

Ag-N共掺p型ZnO的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势法对Ag-N共掺杂ZnO体 系以及间隙N和间隙H掺杂p型ZnO: (Ag, N)体系的缺陷形成能和离化能进行了研究. 结果表明, 在Ag_Zn和N_O所形成的众多受主复合体中, Ag_Zn-N_O受主对不仅具有较低的缺陷形成能同时其离化能也相对较小, 因此, Ag_Zn-N_O受主对的形成是Ag-N共掺ZnO体系实现p型导电的主要原因. 研究发现, 当ZnO: (Ag, N)体系有额外间隙N原子存在时, Ag_Zn-N_O受主对容易与N_i形成Ag_Zn-(N₂)_{m O}施主型缺陷, 该施主缺陷的形成降低了Ag-N共掺ZnO的掺杂效率因而不利于p型导电. 当间隙H引入到ZnO: (Ag, N)体系时, H_i易与Ag_Zn-N_O受主对形成 受主-施主-受主复合结构(Ag_Zn-H_i-N_O), 此复合体的形成不仅提高了Ag_Zn-N_O受主对在ZnO中的固溶度, 同时还能使其受主能级变得更浅而有利于p型导电. 因此, H辅助Ag-N共掺ZnO可能是一种有效的p型掺杂手段. 关键词： p型ZnO 缺陷形成能 受主离化能 第一性原理     

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.     

First-principles study of native defects in rutile TiO2

Native point defects in the rutile TiO₂ are studied via first-principles pseudopotential calculations. Except for the two antisite defects, all the native point defects have low formation energies. Under the Ti-rich growth condition, high concentrations of titanium interstitials and oxygen vacancies would form spontaneously in p-type samples; whereas high concentrations of titanium vacancies would form spontaneously in n-type samples regardless of the oxygen partial pressure.     

Mg掺杂CuAlO2电子结构的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了CuAlO2晶体电子结构以及替位Mg杂质的特性。结果表明,Mg替代Al原子时形成受主杂质能级,而替代Cu原子时形成施主杂质能级;同时也计算了它们的形成能,发现前者是吸热反应,而后者是放热反应。另外,比较Mg替代Al与Mg替代Cu掺杂前后计算结果,发现前者费米能级变化不是很明显;而后者掺杂后费米能级明显向导带底移动。研究表明掺杂可改变CuAlO2的导电类型和电导强弱,此结果对实验具有很好的参考价值。