过渡金属 X（ X=Cr、Mn、Fe、Tc、Re ）掺杂Janus Ga2SSe 的第一性原理研究

利用密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,研究过渡金属X(X=Cr、Mn、Fe、Tc、Re)原子掺杂Janus Ga₂SSe的磁性、电子性质及光学性质.研究表明：过渡金属掺杂Janus Ga₂SSe体系在Chalcogen-rich条件下有着比Ga-rich条件下更好的稳定性.其中Mn掺杂体系形成能在两种条件下皆为最低.本征Ga₂SSe是具有2.02 eV带隙的间接带隙半导体,在紫外区域有着很好的光伏吸收能力.与本征Ga₂SSe相比,Cr掺杂体系自旋向上通道出现杂质能级,自旋向上与向下通道不对称,呈磁矩为2.797μ_B铁磁性半金属. Mn掺杂体系在其自旋向上通道产生的杂质能级,呈磁矩为3.645μ_B的磁性P型半导体. Fe掺杂体系自旋向下通道产生的杂质能级,呈磁矩为3.748μ_B磁性P型半导体.在Tc与Re掺杂后,带隙皆由间接变直接带隙,呈无磁性的P型半导体.从光学性质来看,各掺杂体系与未掺杂Ga₂SSe在介电...     

碱土金属X（X=Be，Mg，Ca和Sr）掺杂二维SnS2材料的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理研究赝势平面波方法,计算了碱土金属X(X=Be, Mg, Ca和Sr)掺杂二维单层SnS₂的电子结构、磁学性质和光学性质.结果表明：S-rich条件下的体系相较于Sn-rich更稳定,能带结构表明：在Be掺杂后,SnS₂体系从自旋向上通道和自旋向下通道完全对称的非磁性半导体转变为具有1.999μ_B磁矩的磁性半导体.在Mg掺杂后,体系转变为非磁性P型半导体;Ca和Sr两种掺杂体系由于极化程度的不同,导致在下自旋通道的能带穿过费米能级,而在上自旋通道的能带并未穿过费米能级,呈现出磁矩分别为1.973、2.000μ_B的半金属特性.同时发现X(X=Be, Mg, Ca和Sr)掺杂后,掺杂体系实部静态介电常数大幅度增加,掺杂后的SnS₂体系的极化能力增强,虚部数值在低能区明显变大,更适用于长波长光电器. Be, Mg, Ca和Sr掺杂不仅导致吸收边红移,而且提高了红外光区域的有效利用率.     

过渡金属W、Mn、V、Ti掺杂二维材料MoSi2N4的第一性原理计算

本文基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算了W、Mn、V、Ti替位掺杂二维MoSi₂N₄后的几何结构、电子结构以及光学性质的变化.电子结构分析表明W、Mn、W、Ti替位掺杂二维MoSi₂N₄后的禁带宽度分别为1.806 e V、1.003 e V、1.218 e V和1.373 e V;四种过渡金属掺杂后MoSi₂N₄的带隙类型没有发生改变,均为间接带隙半导体;W掺杂后的杂质能级靠近价带顶,费米能级靠近价带顶,为p型半导体,杂质能级为受主能级;Mn掺杂后的杂质能级靠近导带底,费米能级靠近导带底,为n型半导体;V和Ti掺杂后杂质能级位于费米能级附近,为复合中心;光学性质分析表明,在2 e V～4 e V的能量区间内,W掺杂结构的吸收波长为336 nm,体系发生红移;Mn、V和Ti替位掺杂后的吸收波长分别为320 nm、358 nm和338 nm,且掺杂体系均发生蓝移.     

Ce、Ga、La掺杂二维SnO2电子结构及光电性质的第一性原理研究

二维材料具有优异的光学、力学、热学、磁学等性质,成为研究的热点之一. SnO₂薄膜中的电子迁移率非常高,兼具透明和良好的导电性能,是一种性能绝佳的半导体材料.本文用密度泛函理论框架下的第一性原理研究了二维SnO₂及其掺杂体系的电子结构、电子态密度、导电性能及光学性质,计算结果表明：相比较于三维SnO₂,二维SnO₂的费米能级附近产生很多杂质能级,提高了载流子浓度,带隙明显变窄,电子的局域性增强,导带中电子的有效质量增加了,电子跃迁更容易发生,增加了材料的导电性能;二维SnO₂比三维SnO₂材料的电极化能力强,在红外区、可见光区、紫外区域的光子吸收性能更优异,光电导率更高,更有利于光生电子-空穴对的分离和迁移,即可以有效地提高其光电转换效率,其中掺杂La元素能更好地提高在红外区、可见光区及紫外区吸收光子的能力,更有利于光电转换的效率,提高导电性.     

碳、氧、硫掺杂二维黑磷的第一性原理计算

基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,研究了二维黑磷中的碳原子(C P)、氧原子(C P)、硫原子(S P)掺杂的几何结构、磁学性质和电子结构.发现掺杂体系结构稳定,C P和O P体系形变较大,而S P体系形变较小;二维黑磷本身无磁矩,掺杂后都具有1μB的总磁矩.由于掺杂体系具有稳定的铁磁性,使其在自旋电子器件方面可发挥重要的作用.     

新型二维SiO2结构及面内应变对其光电性质影响的第一性原理研究

SiO₂通常以三维晶体或无定形结构存在，限制了其在新技术如新一代集成电路中的应用，因此二维SiO₂的研究引起了越来越多的关注。本文通过删除三维层状CaAl₂Si₂O₈结构中的Ca和Al原子，直接构建出新的二维SiO₂构型。采用基于密度泛函理论的第一性原理计算，结构优化获得的新型2D SiO₂具有P-62m对称性，群号189。通过结合能、弹性系数、分子动力学模拟和声子谱计算，发现新型2D SiO₂具有高机械稳定性、热力学稳定性和动力学稳定性。电子性质和光学性质计算发现，2D SiO₂是带隙为6.08 eV绝缘体，且具有良好的光透射率和光导率。此外，通过研究面内双轴应变对2D SiO₂电子和光学性质的影响，发现2D SiO₂的带隙和介电函数受面内拉伸应变的影响较压缩应变略大，不过其整体光学性质受应变影响不大，保证了其在实际应用中电子性质和光学性质的稳定...     

过渡金属(Ni)掺杂ZnV2O4的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论下的MS软件模拟了过渡金属Ni掺杂ZnV₂O₄前后的能带结构、态密度以及光学性质.结果表明：ZnV₂O₄具有间接的光学跃迁且能带间隙为0.355 eV,Ni掺杂后能带间隙增加为0.785 eV,且带隙类型不变,引入的Ni-3d轨道电子对ZnV₂O₄的价带和导带组成提供了较大贡献.光学性质结果表明ZnV₂O₄为一种低介电材料,在可见光区的吸收系数和折射率较低,主要表现为紫外吸收.掺杂Ni后,在可见光区的吸收特性和光电导率均增大,有效改善了ZnV₂O₄在可见光区的光电性能.     

MgB2各向异性光学性质的第一性原理研究

使用密度泛函第一性原理研究了超导体MgB₂单晶各向异性的光学性质.在描述光学性质的基本理论和计算方法的基础上,计算了MgB₂的光电导谱、反射谱以及电子能量损失谱,并通过MgB₂的各个原子分解态密度图对所得到的反射谱和损失谱的各个谱峰做了详尽地分析.从光电导谱上来看,x方向与z方向有着很大差别,而在反射谱与电子能量损失谱中,x方向与z方向的特征峰位置都是相互符合的.从光导谱来看,沿 关键词： 超导体 电子结构 光学性质     

N掺杂SnO2材料光电性质的第一性原理研究

采用全电势线性缀加平面波(full potential linearized augmented plane wave method,简记为FP-LAPW)方法,基于密度泛函理论第一性原理计算分析N掺杂SnO₂材料,研究了在N替代O原子和N替代Sn原子情况下的电子态密度、电荷密度分布以及光学性质.研究表明N掺杂替代Sn较之N掺杂替代O原子的带隙要宽,都宽于SnO₂的本征带隙,且两种情况下N分别处于负氧化态和正氧化态,其介电函数谱也与带隙对应发生蓝移,从理论上指出     

缺陷黄铜矿结构Xga2S4 (X=Zn,Cd, Hg)晶体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(DFT)的第一性原理超软赝势方法对缺陷黄铜矿结构XGa₂S₄ (X=Zn, Cd, Hg)晶体的晶格结构、电学以及光学性质进行了对比研究. 分析比较了它们的晶格常数、键长、能带结构、态密度、介电函数、折射率和反射系数等性质, 并总结其变化趋势. 结果表明: 这三种材料的光学性质在中间能量区域(4 eV–10 eV)表现出较强的各向异性, 而在低能区域(<4 eV)和高能区域(>10 eV)各向异性较弱. ZnGa₂S₄和HgGa₂S₄两种材料的折射率曲线在等离子体频率ω_p处有一明显的拐点, 反射系数在ω_p处达到最大值后急剧下降. 三种晶体的强反射峰均处于紫外区域, 因此可以用作紫外光屏蔽或紫外探测材料. 关键词： 缺陷黄铜矿结构 电子结构 光学性质 第一性原理计算     

Mn掺杂6H-SiC的第一性原理研究

本文通过密度泛函理论第一性原理平面波超软赝势计算方法计算了Mn掺杂6H-SiC的电子结构与光学性质。计算结果显示掺杂Mn后的6H-SiC为间接带隙p型半导体,且带隙较本征体有所降低,带隙由2.022 eV降为0.602 eV,电子从价带跃迁所需能量减少。掺杂后的Mn的3d能级在能带结构中以杂质能级出现,提高了载流子浓度,导电性增强。光学性质研究中,掺杂Mn后的介电函数虚部在低能处增加,电子激发态数量增多,跃迁概率增大。掺杂后的光吸收谱能量初值也较未掺杂的3.1 eV扩展到0 eV,反射谱发生红移。由于禁带宽度的降低使得光电导率起始范围得到扩展。     

3d过渡金属掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了纯锐钛矿相TiO₂及掺杂3d过渡金属TiO₂的几何、电子结构及光学性质. 计算结果表明掺杂能级的形成主要是掺杂过渡金属3d轨道的贡献，掺杂能级在禁带中的位置是决定TiO₂吸收带边能否出现红移的重要因素. Cr，Mn，Fe，Ni，Co，Cu掺杂使TiO₂的吸收带边产生红移，并在可见光区有一定的吸收系数； Sc，Zn掺杂使TiO₂的吸收带边产生蓝移，但在可见光区有较大的吸收系数；掺V不但使TiO₂的吸收带边产生红移，增强了在紫外光区的光吸收，而且在可见光区有非常大的吸收系数.     

SrCoO3电子结构和磁学性质的第一性原理研究

通过基于密度泛函理论的广义梯度近似GGA+U方法对铁磁相SrCoO₃的电子结构和磁学性质进行了系统研究.结果表明:随着U值的增大,对于Co离子,主自旋方向的t_2g和e_g态向低能级移动,而次自旋方向的t_2g和e_g态向高能级移动;O2p电子态的分布基本不随U变化.能带结构表明,U大约在7-8eV之间时,SrCoO₃由金属性转变为半金属性.U值小于7eV时,Co离子的磁矩随着U值的增大几乎成线性增大,而当U大于7eV后基本保持不变.结合实验结果,本文认为U取8eV时得到的计算结果更为合理,Co离子的磁矩为3.19μв,且SrCoO₃表现出半金属特性.     

Fe, S共掺杂SnO2材料第一性原理分析

本文采用基于第一性原理的全电势线性缀加平面波(FP-LAPW)法, 计算了Fe, S两种元素共掺杂SnO₂材料的电子结构和光学性质. 结果表明: 材料仍为直接禁带半导体, 体系呈现半金属性; Fe, S共掺可以窄化带隙, 且随S浓度增加, 态密度向低能方向移动, 带隙减小; 共掺体系电荷密度重新分布, 随S浓度增加, Fe原子极化程度增强, 原子间键合能力增强. 共掺后介电函数虚部谱与光学吸收谱各峰随S浓度增加而发生红移, 光学吸收边减小.     

二维BX(X=S,Se,Te)结构预测与性质的第一性原理研究

采用基于粒子群优化算法的结构预测程序CALYPSO结合密度泛函理论的VASP软件包,预测得到二维BX(X=S、Se、Te)的最低能量结构,该结构是由B和X原子形成的双层褶皱的六角密堆积结构,层与层之间较强的B-B键是稳定结构的关键．凝聚能和声子谱计算结果表明二维BX(X=S、Se、Te)在热力学和动力学上均是稳定的．能带结构和电子态密度的计算分析发现三种二维材料均呈现间接带隙半导体行为,带隙分别为3.98 eV（BS）、3.84 eV（BSe）和2.31 eV（BTe）. 采用“应力应变”方法,计算得到二维BX(X=S、Se、Te)的弹性常数、杨氏模量、泊松比以及杨氏模量和泊松比随方向变化的关系并进行了详细的讨论, 发现杨氏模量和泊松比呈现各向同性. 除此之外,我们还研究了二维BX(X=S、Se、Te)的应力-应变关系,发现BTe较BS和BSe有较强的抗拉伸性．由于BS和BSe在价带顶有效质量较大,为此,我们采用形变势理论研究了BTe的载流子迁移率. 结果发现BTe在ao1和ao2方向上的电子迁移率分别为20.8和122.6 cm2V-1s-1,而空穴在两个方向上的迁移率分别为673.4和65.0 cm2V-1s-1, 空穴在ao1方向上的较高的迁移率说明二维BTe具有较好的输运性质．     

LiGaX2(X=S,Se, Te)的电子结构,光学和弹性性质的第一性原理计算

采用基于第一性原理的密度泛函理论赝势平面波方法,对LiGaX₂(X=S, Se, Te)的能带结构、态密度、光学以及弹性性质进行了理论计算. 能带结构计算表明LiGaS₂ 的禁带宽度为4.146 eV, LiGaSe₂ 的禁带宽度为3.301 eV, LiGaTe₂ 的禁带宽度为2.306 eV; 其价带主要由Ga-4p 层电子和X- np 层电子的能态密度决定; 同时也对LiGaX< 关键词： 电子结构 光学性质 弹性性质 LGX     

过渡金属(Fe,Co,Ni,Zn)掺杂金红石TiO2的电子结构和光学性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对未掺杂以及不同浓度过渡金属Fe,Co,Ni,Zn掺杂金红石TiO₂的超晶胞体系进行了几何优化,并讨论了其晶格常数,电子能带结构和光学性质.研究结果表明:掺杂前后的晶格参数与实验值偏差在3.6%以下;适量的过渡金属掺杂不但影响体系能带结构,拓宽光吸收范围,而且扮演着俘获电子的重要角色,有利于光生电子-空穴对的有效分离以及增强光吸收能力;Fe,Co,Ni,Zn最佳理论掺杂体系分别为Ti_0.75Fe_0.25O₂,Ti_0.75Co_0.25O₂,Ti_0.75Ni_0.25O₂,Ti_0.83Zn_0.17O₂;Fe,Co,Ni3d态分裂为t_2g和e_g态,分别贡献于价带高能级和导带低能级部分,促进了电子-空穴对的生成,从而可提高TiO₂的光催化性能;Zn3d态电子成对填满轨道,不易被激发,故光催化活性无明显提高.     

稀土（Y、Ce）掺杂β-FeSi2光电性质的第一性原理研究

基于第一性原理赝势平面波方法,对稀土(Y、Ce)掺杂β-FeSi2的几何结构、电子结构和光学性质进行了计算与分析。几何结构的计算表明,Y 或Ce掺杂后β-FeSi2的晶格常数改变,晶胞体积减小。电子结构的计算表明,掺入稀土后β-FeSi2 费米面附近的能带结构变得复杂,带隙变窄;总电子态密度发生了变化,Y 的4d 轨道电子态密度和Ce的4f轨道电子态密度主要贡献给费米面附近。光学性质的计算结果表明,Y 或Ce 掺杂后β-FeSi2 的静态介电常数明显提高,介电函数虚部ε2 的峰值均向低能方向移动并且减弱,折射率n0 明显提高,消光系数k 的峰值减弱,计算结果为β-FeSi2材料掺杂稀土改性的实验研究提供了理论依据。     

W-S共掺杂锐钛矿TiO2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,WS单掺杂及W-S共掺杂TiO2的电子结构和光学性质．结果表明：掺杂后晶格畸变,晶格常数变大并在TiO2禁带中引入杂质能级．对于S单掺杂TiO2,禁带宽度减小和杂质能级的引入导致吸收光谱红移,而对于W单掺杂和W-S共掺杂,禁带宽度的明显增大致使掺杂后TiO2的吸收光谱蓝移．     

第一性原理研究In,N共掺杂SnO2材料的光电性质

采用全电势线性缀加平面波(FP-LAPW)的方法,基于密度泛函理论第一性原理结合广义梯度近似(GGA),运用Wien2k软件计算了In, N两种元素共掺杂SnO₂材料的电子态密度和光学性质. 研究表明,共掺杂结构在自旋向下和向上两方向上都出现细的局域能级,两者态密度分布不对称;带隙内自旋向下方向上产生局域能级,共掺化合物表现出半金属性;能带结构显示两种共掺杂化合物仍为直接禁带半导体,价带顶随着N浓度的增加发生向低能方向移动,带隙明显增宽;共掺下的介电函数虚部主介电峰只在8.58 eV 关键词： 电子结构 态密度 能带结构 光学性质