体积应变对立方钛酸铅电子结构和光学性质的影响

本文利用第一性原理方法计算并分析了体积应变(-11%~11%)对立方顺电相PbTiO₃的结构、稳定性、电子结构和光学性质的影响。研究发现体积应变后PbTiO₃形成焓增大,稳定性下降,其中压应变对其稳定性的影响比拉应变大。当受到拉伸应变时,立方PbTiO₃由直接带隙半导体变为间接带隙半导体,且带隙随应变增大呈先增大后降低的趋势。在发生压应变时,从复介电函数、复折射率及吸收系数的分析结果可知,在自然光照下PbTiO₃的光吸收能力仅在个别波段有所增大,但总体呈减弱趋势,当产生拉伸应变时,介电峰、吸收峰红移,表明PbTiO₃在可见光范围内光吸收能力增强,并且当应变增大到11%时,PbTiO₃的吸收能力远高于本征立方相。     

翘曲度对锗烯的电子结构及光学性质的影响

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究不同翘曲度下锗烯的电子结构及光学性质,分析翘曲度对电子结构及光学性质的影响。采用六种不同的近似方法对锗烯的几何结构进行优化,得到最稳定的结构体系,在此基础上选取不同的翘曲度,并对翘曲度的稳定性进行论证得到三种较稳定的翘曲结构。通过翘曲度的调节打开锗烯的带隙,并且通过调节翘曲度实现锗烯带隙在间接带隙和直接带隙之间的转化,通过分析态密度解释了能带结构的调控机制,以及翘曲度对锗烯光学性质的影响。研究表明翘曲度能够有效地调控锗烯的电子结构和光学性质,提高光电子利用效率。     

拉伸变形对硅纳米管电子结构和光学性能的影响

采用基于密度泛函理论的CASTEP程序,对单壁手扶椅型(6,6)硅纳米管施加不同程度的拉伸变形,研究其电子结构和光学性质.研究发现,拉伸变形使得硅纳米管的Si-Si键长增加,布居数减小,稳定性降低.拉伸变形过程中,导带底的电子明显向低能区偏移,而价带顶的电子向高能区移动,从而能隙宽度减小.同时,由于共价键对价带电子的束缚度降低,价电子更容易受激发向导带跃迁.拉伸变形能够增大硅纳米管的静态介电常数和实数部的吸收宽度,并使介电函数虚数部在低能区发生红移,从而硅纳米管的能隙宽度减小.在近紫外光波段,红外和可见光波段硅纳米管的发光效率随拉伸变形量的增加而提高.研究结果为硅纳米管在光电器件的应用提供理论基础.     

应变对单层碘化铅的能带及光电导率影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波赝势方法,研究了双轴拉应变下碘化铅单层晶体的电子结构和光电导性质.结果显示,其禁带宽度随拉应变增加而略呈线性下降趋势.对应变引起的光电导率的变化进行分析,表明双轴应变能使光电导的峰值略微红移.进一步分析了单层碘化铅晶体的能态密度,解释了单层碘化铅晶体能带结构改变的机制.     

应变对Mo2C(001)表面电子结构及光学性质的影响

采用第一性原理方法研究应变对Mo₂C(001)表面电子结构及光学性质的影响。研究表明,在应变作用下Mo₂C(001)表面均为间接带隙半导体,带隙随着压应变和拉应变的增加而减小。当应变为-20%时,Mo₂C(001)表面由间接带隙半导体转变为金属性质。当应变为-20%、-15%、-10%、-5%、0%、5%、10%、15%、20%时,其带隙分别为0 eV、0.162 eV、0.376 eV、0.574 eV、0.696 eV、0.708 eV、0.604 eV、0.437 eV、0.309 eV。带隙变化的原因主要是Mo 4p、4d、5s态电子和C 3p态电子对应变敏感,在应变作用下受激发,活性增强导致价带顶在布里渊区G、A、L、M点之间变化,导带底在K、H点之间变化;当应变由-15%逐渐变化到20%时,吸收谱的第一峰逐渐减弱,并且第一峰对应的光电子能量减小,吸收带边向低能方向移动,表明光吸收随着压应变增大而增加,吸收带边随着拉应变增加向低能方向移动。其他光学性质表现出类似的变化规律,光学性质计算结果表明应变能够有效调节光吸收特性,增强光学利用率,研究结果为Mo₂C(001)作为新型光电子材料的应用提供理论支撑。     

O、Se和Te掺杂对单层MoS2电子能带结构和光学性质的影响

利用密度泛函理论第一性原理,计算了本征单层MoS2以及O、Se和Te掺杂单层MoS2的结构参数、能带结构、氧化还原电势、态密度、光吸收特性和光催化潜力.结果表明,本征和掺杂单层MoS2的晶胞参数、键长随原子半径的增大而增大,键角随原子半径的增大而减小.掺杂后禁带宽度变小,导电性增强.本征和掺杂的单层MoS2的导带底电位负于水解制氢反应的还原势,其价带顶电位正于水解制氢反应的氧化势,均具有光催化水解制氢的潜力.但是,本征和O掺杂,由于价带顶与导带底电位相应于水的氧化还原势和电子空穴需求量均存在不平衡,使其光解水性能不理想.然而,Se和Te掺杂可以平衡其还原与氧化能力,改善单层MoS2的光催化的性能,其中Se掺杂改善效果最为明显.同时,掺杂后的单层MoS2对可见光吸收效率增强.此研究有助于筛选合适的单层MoS2掺杂元素,提高单层MoS2材料的光催化水解制氢性能.     

退火处理对CdZnTe晶体光电性能的影响

研究了生长态CdZnTe晶体在经历了不同温度和时间的Cd/Zn和Te气氛退火后,其光电性能的变化规律.研究表明,在Cd/Zn气氛下退火180 h后,CdZnTe晶体中直径在5μm以上的Te夹杂的密度减小了1个数量级,晶体的体电阻率由1010 Ω·cm减小至～107 Ω· cm.同时发现,Cd/Zn源区的温度决定了退火后晶体在500～4000cm-1范围内红外透过率曲线的平直状态,这可能与晶体中的Cd间隙缺陷浓度相关,而与晶体中的载流子浓度和夹杂/沉淀相状态无关.在Te气氛下退火时,发现晶体的红外透过率的平直状态与晶体电阻率的对数lg(ρ)呈近似线性关系,同样可归因于退火过程中Cd间隙缺陷的浓度变化.     

双轴应变对g-ZnO/WS2异质结电子结构及光学性质影响的第一性原理计算

单层g-ZnO由于吸收光谱宽而受到研究者关注,但载流子复合是单层g-ZnO作为光催化剂无法避免的问题,如何降低电子空穴对复合率,提高单层g-ZnO对可见光利用率成为值得研究的问题,搭建异质结并对其进行双轴应变是一种可行的办法。本文采用第一性原理方法,研究双轴应变对g-ZnO/WS₂异质结电子结构及光学性质的调控规律。结果表明:g-ZnO/WS₂异质结禁带宽度为1.646 eV,由于异质结体系内部产生内置电场,降低了其光生载流子的复合率,同时异质结光吸收带边拓展至可见光区域。对异质结实施应变后,除压缩应变(-2.5%)体系外,其余应变体系吸收带边均出现红移现象,并且红移程度和对电荷的束缚能力均随着应变的增加而增强。相比于未实施应变的体系,应变体系对光生电子载流子的阻碍作用更强,其光催化能力得到更大提高。以上结果说明搭建g-ZnO/WS₂异质结并对其进行双轴应变对异质结的电子结构及光学性质具有显著的调控作用,使其在窄禁带及红外、可见光半导体器件和光催化材料等领域具有应用价值。     

基于第一性原理的Au、Cu、Sb掺杂CdTe的结构模拟和光学性能预测

基于密度泛函理论研究了Au、Cu、Sb掺杂CdTe体系的电子结构和光学性能。Au、Cu、Sb掺杂CdTe体系均能稳定存在,过渡金属原子与Cd原子轨道的杂化减小了CdTe的带隙,提高了CdTe对可见光的利用,同时降低了光生电子从价带跃迁到导带所需的能量,从而促进了更多的光生电子发生迁移,大大提高了其光学性能。三种掺杂体系中Sb/CdTe体系在可见光范围内光吸收系数提升最显著,其光生电子和光生空穴迁移率相对于CdTe体系分别增加5.97倍和15.54倍。通过计算掺杂体系的能带、态密度、电子布居、光吸收函数、载流子迁移率,从理论上揭示了Au、Cu、Sb提高CdTe光学性能的机理。     

Cu、Zn掺杂对AlSb电子结构和光学性质的影响

运用密度泛函平面波赝势方法和广义梯度近似,对替代式掺杂Cu和Zn的闪锌矿AlSb的超晶胞晶体结构、电子结构和光学性质进行了计算.分析了其电子态分布和结构的关系,给出了掺杂前后AlSb体系的复介电常数和复折射函数.结果表明,掺有Cu和Zn的AlSb晶体空穴密度增大,会明显提高材料的电导率;两种掺杂体系光学带隙均变窄;通过分析掺杂前后AlSb晶体的复介电常数和复折射函数,解释了体系的发光机制.     

Y,Zr,Nb掺杂对单层MoS2电子结构的影响

本文基于第一性原理的方法研究了Y、Zr、Nb在Mo位掺杂单层MoS2的能带结构和态密度.研究发现:Y、Zr、Nb三种杂质在Mo位掺杂使杂质原子附近的键长发生畸变,畸变最大的是Y掺杂体系;Y、Zr、Nb的掺杂改变了单层MoS2能能带结构,使掺杂体系向导体转变;对于Y、Zr、Nb共掺杂体系,Y、Zr共掺杂增强了单层MoS2导电性能;Y、Nb共掺杂单层MoS2的费米能级穿过杂质能级,此处的能级处于半满状态,容易成为电子的俘获中心;Zr、Nb共掺杂体系的禁带中出现了多条杂质能级,同时导带能量上移;Y、Zr、Nb共掺杂可以很大程度改变单层MoS2材料的电子结构.     

Sr2Si5N8∶Eu2+光物理性能及电子结构的研究

运用碳热还原氮化法(CRN)合成了Sr2Si5N8和Sr2Si5N8∶Eu2+粉体,所得到物相的XRD图谱显示,掺杂Eu2+后比掺杂前峰值向高角度方向偏移.荧光图谱显示掺杂后激发光谱处于紫外和近紫外光范围,发射光谱峰值处于红光处.利用第一性原理基于密度泛函理论的平面波赝势法计算了Sr2Si5N8与Sr2Si5N8∶Eu2+的能带结构与电子态密度,发现Eu2+的加入使得体系拥有了易于将能量以光子形式放出的直接带隙跃迁机制,并且使得整个体系带隙减小,结合实验结果,揭示了该体系材料的微观发光机理.     

第一性原理研究二维GaN的电子结构和光学性能

二维GaN是一种性能优良的半导体光电材料,用途广泛.因此,基于密度泛函理论采用广义梯度近似方法系统研究单层、双层和三层二维GaN的电子结构和光学性质,并与三维GaN体材料进行比较.结果表明:随着维数的降低,二维GaN的能带变宽,各能级的能量值起伏变大;不同于三维GaN,二维GaN量子尺寸效应明显,N的2s态和2p态相互作用增强,出现能带重叠,呈现较好的导电特性;分析费米能级发现导带底附近存在明显表面态,这是因为Ga的4s电子态的贡献;随着二维GaN层数的增加,对紫外光的反射特性越来越好,在特定的能量范围内,二维GaN的能量损失为零.由此可知,研究二维GaN的电子结构和光学性质有助于二维GaN在纳米光电器件中的应用.     

空位缺陷对锯齿型硅纳米带电子结构和磁性的影响

基于密度泛函理论,采用广义梯度近似下的第一性原理投影缀加波赝势方法,系统的研究了单空位(双空位)缺陷对锯齿型硅纳米带电子结构和磁性的影响.结果表明:不同位置的单原子空位(双原子空位)锯齿型硅纳米带,结构弛豫后,都能得到一个九边环(八边环),同类缺陷更容易在锯齿型硅纳米带的边缘区域形成;与完整的锯齿型硅纳米带相比,中心位置含空位缺陷(单原子或双原子空位)的锯齿型硅纳米带由原有的反铁磁半导体转变为反铁磁金属;非中心位置含空位缺陷(单原子或双原子空位)的锯齿型硅纳米带则具有铁磁态金属性, 在远离缺陷的纳米带边缘硅原子上局域的分布着差分电荷密度,这使得锯齿型硅纳米带在自旋电子学领域拥有可观的应用前景.     

理论研究Stone-Wales缺陷和C掺杂对手性BN纳米带的带隙调控

通过第一性原理密度泛函理论的方法,研究了Stone-Wales 缺陷和C掺杂对手性BN纳米带的带隙调控.结果表明,Stone-Wales 缺陷使得BN纳米带的价带顶(VBM)和导带底(CBM)的占据态发生变化,从而引入了缺陷能级降低了带隙,但Stone-Wales 缺陷的个数对带隙的大小影响不明显.电子结构计算表明,带Stone-Wales 缺陷的BN纳米带的缺陷能级主要是由VBM附近形成N-N原子的类π键轨道和CBM附近形成B-B原子的类σ键分布决定.通过在带Stone-Wales 缺陷的BN纳米带中引入C掺杂改变杂质能级的分布,在VBM附近形成了C-C原子的类σ键轨道和CBM附近形成了C-B原子的类σ键,这样可以进一步降低BN纳米带的带隙,拓展了BN纳米带的应用.     

机械磨抛对CdZnTe薄膜阻变特性的影响

采用磁控溅射法在ITO玻璃上制备了CdZnTe薄膜,探究机械磨抛对CdZnTe薄膜阻变特性的影响。通过对XRD图谱、Raman光谱、AFM显微照片等实验结果分析阐明了机械磨抛影响CdZnTe薄膜阻变特性的物理机制。研究结果表明,磁控溅射制备的薄膜为闪锌矿结构,F43m空间群。机械磨抛提高了CdZnTe薄膜的结晶质量;CdZnTe薄膜粗糙度(Ra)由磨抛前的3.42 nm下降至磨抛后的1.73 nm;磨抛后CdZnTe薄膜透过率和162 cm^-1处的类CdTe声子峰振动峰增强;CdZnTe薄膜的阻变开关比由磨抛前的1.2增加到磨抛后的4.9。机械磨抛提高CdZnTe薄膜质量及阻变特性的原因可能是CdZnTe薄膜在磨抛过程中发生了再结晶。     

BiFeO3及Bi2FeCrO6的电子结构和光学特性

采用第一性原理方法计算了铁酸铋及掺铬铁酸铋的电子结构和光学特性等.计算结果表明BiFeO3及Bi2FeCrO6是间接带隙材料,所得到的BiFeO3 和Bi2FeCrO6的带隙Eg = 2.5 eV和Eg=1.7 eV,并讨论了Cr的掺入对能态密度、复介电函数,光学特性参数和Mulliken电荷分布的影响,所得结果对BiFeO3材料掺杂改性的研究具有参考价值.     

掺杂铁系元素对TiO2电子结构和光催化性能的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法研究了纯锐钛矿相TiO2掺杂铁系原子(Fe、Co、Ni)的电子结构和光学性质.计算结果表明,掺杂能级的形成主要是掺杂离子3d轨道的贡献,在吸收光谱的红移中起关键作用.随着掺杂原子序数的增加,TiO2的导带、价带及杂质能级向低能量方向移动,且移动的幅度逐渐减小.掺杂后TiO2的带隙宽度减小,吸收光谱移至可见光区域,与实验结果相吻合,合理的解释了Fe、Co、M金属掺杂对锐钛矿相TiO2光催化性能影响的机理.     

第一原理研究氧空位对BaTiO3晶体的电子结构和光学性质的影响

根据密度泛函理论,采用模拟计算软件CASTEP计算了含有氧空位钛酸钡晶体的电子结构和光学性质.结果表明,氧空位的存在没有在禁带中引入缺陷能级,但氧空位的存在对晶体的光学性质产生显著的影响.并得到氧空位的存在将引起钛酸钡晶体出现440～450 nm吸收峰的结论.     

Ba7AgGa5S15:一种新型混合金属硫化物的非线性光学性能研究

采用高温熔融-自发结晶法成功获得一种新型混合金属硫化物Ba7AgGa5S15.该化合物结晶于非中心对称的P31c空间群(No.159),晶胞参数为a=0.964 53(10) nm,c=1.805 9(4) nm,Z=2.其结构是由[Ga4 S10] T2超四面体与[AgS4]四面体共顶点连结形成的含有18元环孔道的三维网状框架,孤立的[Ga(2)S4]四面体填充在孔道中,Ba2+填充在该三维框架结构的空隙当中.第一性原理计算研究了该化合物的电子结构、态密度、双折射率、二阶非线性光学系数,以及倍频密度.结果 表明,该化合物具有大的光学带隙(3.76 eV),其带隙主要由S3p,Ba5d和Ga4s轨道决定;其d33方向上的倍频系数约为AgGaS2的0.4倍,主要倍频贡献来源于[AgS4]和[GaS4]四面体.该研究表明在Ag-Ga-S体系中引入Ba2+,形成的Ba7 AgGa5S15表现出比AgGaS2更宽的带隙,有利于产生高的激光损伤阈值(LDT).