AgSnO2触头材料在Ni-S共掺杂下的第一原理性计算

该研究采用掺杂的方式对SnO₂的导电性能进行改良,基于密度泛函理论的第一性原理,运用CASTEP软件对单掺杂Ni-SnO₂、S-SnO₂和共掺杂Ni-S-SnO₂的晶格参数、能带结构、电子态密度进行了计算,并对其电荷布居进行了分析.结果表明：S单掺杂时,晶胞体积略微增大;Ni单掺杂时,晶胞体积略微减小;而Ni-S共掺杂时,晶胞体积略微增大但增大幅度小于S单掺杂时的晶胞体积.与未掺杂相比,掺杂使得晶胞禁带减小、杂质能级增多、电子跃迁能减小,使其导电性增强,同时,掺杂使得费米能级附近峰值减小,局域性下降,原子间成键更强,材料更稳定.     

N/Cu共掺杂锐钛矿型TiO2第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法, 采用局域自旋密度近似加Hubbard U值方法研究了纯锐钛矿型TiO₂, N, Cu单掺杂TiO₂及N/Cu共掺杂TiO₂ 的晶体结构、电子结构和光学性质. 研究结果表明, 掺杂后晶格发生相应畸变, 晶格常数变大. N 和Cu的掺杂在TiO₂禁带中引入杂质能级, 禁带宽度发生相应改变. 对于N掺杂TiO₂禁带宽度减小较弱, 而Cu掺杂和N/Cu共掺TiO₂禁带宽度显著降低, 导致吸收光谱明显红移, 光学催化性增强, 有利于实际应用.     

第一性原理研究Eu/N共掺杂锐钛矿TiO2光催化剂的电子和光学性质

基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法, 运用Vasp方法计算了Eu, N掺杂及Eu/N共掺杂锐钛矿TiO₂的结构, 并分析了其电子及光学性质. 通过计算发现有一些Eu的4f态电子在Eu掺杂锐钛矿TiO₂的体系的费米能级附近出现杂质能级, 并且N掺杂会使得锐钛矿TiO₂的禁带宽度减小. 对于共掺杂体系而言, Eu/N共掺杂的协同效应能导致锐钛矿TiO₂的晶格畸变及禁带宽度减小. 与此同时, 计算得到的光吸收谱表明Eu/N混合掺杂锐钛矿TiO₂展现出了明显的光谱吸收边缘红移. 这些计算结果表明Eu/N共掺杂锐钛矿TiO₂具有优良的光催化活性. 关键词： 2')" href="#">TiO₂ 共掺杂 可见光催化剂 密度泛函理论     

Ge,Al掺杂锰硅化和物Mn4Si7的第一性原理计算

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法,对本征Mn₄Si₇以及Ge, Al单掺杂和共掺杂Mn₄Si₇的晶体结构,能带结构,态密度以及光学性质进行了计算和分析.计算结果表明:本征态Mn₄Si₇的禁带宽度为0.810 eV,为直接带隙半导体材料,掺杂后晶体结构稍微变化,禁带宽度减小,且共掺杂时禁带宽度最小,电导率最好.Al以及Ge, Al共同掺杂时会产生杂质能级.掺杂后光子能量向低能级方向移动,光电导率,光吸收,反射系数都有所增大,说明掺杂改善了Mn₄Si₇的光学性质,从而可以提高光伏发电效率.     

Ni-Ge共掺杂下对AgSnO2触头材料性能的第一性原理分析

AgSnO₂触头材料是一种环保型低压触头材料,由于具备良好的耐电弧以及抗熔化焊能力,广泛适用于接触器,继电器以及低电压断路器中.采用金属元素Ni与Ge共掺杂的方式对SnO₂的导电性能进行改良.运用CASTEP软件对元素掺杂前后的SnO₂各项性能进行了仿真试验.结果表明：金属元素Ni与Ge单掺杂和共掺杂与本征SnO₂相比,其禁带宽度均会有不同程度的减小,其中Ni-Ge两种元素共掺杂时的禁带宽度值最小,这就表示电子可以更加容易的进行跃迁,其导电性也最好;由弹性常数分析可知,金属元素Ni-Ge共掺杂时材料的弹性最弱,韧性最强.     

Ⅲ族元素掺杂对SnO2电子结构及电学性能的影响

采用密度泛函理论研究了Ⅲ族元素掺杂对SnO₂电子结构及电学性能的影响.态密度分析结果表明，以替代位存在的Ⅲ族杂质均使SnO₂的费米能级明显向低能态方向移动，使得价带顶不完全填满，因此在SnO₂中均充当受主作用.部分态密度分析结果表明，相对于掺Al的SnO₂，Ⅲ族元素中的Ga及In对费米能级附近态密度贡献较大，其主要贡献来自Ga3d态或In4d态，这预示着在SnO₂中掺Ga或In能实现更好的p型掺杂效果.电离能计算结果进一步表明，在Al，Ga及In三种元素中，替位In有最小的电离能(0.06 eV)，这说明其在SnO₂中能形成最浅的受主能级，因而在同等掺杂情况下，可引入最高浓度的空穴，从而实现最佳的p型掺杂效果. 关键词： 密度泛函理论 2')" href="#">SnO₂ Ⅲ族元素掺杂 电子结构     

La-Ce共掺杂锐钛矿TiO2的缺陷形成能和电子结构分析

采用基于密度泛函的第一性原理研究了稀土元素La、Ce共掺杂锐钛矿相TiO₂的缺陷形成能,缺陷电荷转变能级以及电子结构.研究发现,富氧状态下La、Ce掺杂以及La-Ce共掺的缺陷形成能均为负值,而贫氧状态下La、Ce掺杂形成能为正,表明La、Ce的掺杂TiO₂只能在氧气氛制备条件下进行;替代Ti掺杂缺陷电荷转变能级计算结果表明:0/1-的缺陷电荷转变能级分别位于VBM上面0.522 eV及2.440 eV处;与纯锐钛矿相TiO₂相比,La、Ce单掺杂以及La-Ce共掺杂均能减小TiO₂的禁带宽度,但共掺杂体系的禁带宽度更窄,因此共掺杂体系将更有利于提高TiO₂对可见光的响应能力和光催化性能.     

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.     

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．     

Co,N共掺杂锐钛矿相TiO2电子结构和光学性质的第一性原理研究

二氧化钛（TiO₂）作为一种性能优良的光催化剂已经被广泛地研究和使用.本研究中利用了第一性原理和GGA+U方法,对锐钛矿结构TiO₂晶体三种可能的（Co,N）共掺杂体系的几何结构、形成能、电子结构和光吸收系数进行了研究,并与单掺杂（Co/N）体系进行了对比.结果表明,在三种共掺杂TiO₂中,Co与N相邻时晶格畸变最小,但掺杂原子周围晶格畸变较大;同时,较低的形成能表明此种共掺杂结构最容易形成;此外,因为C0与N成键,其杂质能级的数目与能量较其他共掺杂结构有较大差异.（Co,N）共掺杂体系与未掺杂TiO₂的相比,其禁带宽度较小,禁带中存在杂质能级,因此其吸收边红移,在可见光波段有较好的光吸收能力.故（Co,N）共掺杂可以很好地提升锐钛矿型TiO₂在可见光波段的光催化性能.     

Sc与C掺杂MgS电子结构与光学性质的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法,对Sc、C单掺以及共掺MgS体系的稳定性、电子结构和光学性质进行了研究,结果表明：与本征MgS体系相比,掺杂后体系的结合能仍为负值,表明掺杂体系均处于稳定状态,其中Sc-C共掺MgS体系的结合能最小,说明Sc-C共掺体系最稳定。掺杂后体系的禁带宽度均减小,表明电子由价带跃迁至导带的能量减小;此外,掺杂体系在低能区均发生了明显的红移现象,表明Sc、C掺杂能够有效的拓宽体系对可见光的响应范围。其中,Sc-C-MgS体系在费米能级附近产生了杂质能级且带隙宽度较小,在可见光范围内的吸收系数最优,可推测Sc-C共掺杂可作为提高MgS体系光催化活性的有效手段。     

基于密度泛函理论下O和Na掺杂单层h-BN的电子结构性质和光学效应的分析

基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了O、Na单掺杂及O和Na共掺杂单层h-BN的形成能、电子结构和光学性质.结果表明:单掺杂体系中,O掺杂N位置、Na掺杂B位置时,掺杂形成能最低;共掺杂体系中,O和Na邻位掺杂,掺杂形成能最低.与单层h-BN相比,引入杂质原子后的体系禁带宽度均减小,其中O掺杂为n型掺杂,Na掺杂为p型掺杂,而O和Na共掺h-BN体系为直接带隙材料,有利于提高载流子的迁移率.在光学性质方面,Na掺杂h-BN体系与O和Na共掺h-BN的静介电常数均增大,在低能区介电虚部和光吸收峰均发生红移,其中Na掺杂体系红移最为显著,极化能力最强.因此Na单掺和O和Na共掺有望增强单层h-BN的光催化能力,可扩展其在催化材料、光电器件等领域的应用.     

Y,Zr,Nb掺杂SnO_2电子结构的第一性原理研究

本文基于第一性原理方法研究了Y,Zr,Nb在Sn位掺杂SnO_2的键长变化、稳定性、能带结构以及态密度.结果表明:Y,Zr,Nb在Sn位掺杂SnO_2使附近的键长发生改变,改变量最大是Y掺杂SnO_2体系;掺杂体系的杂质替换能都为负值,表明体系为稳定结构;掺杂使SnO_2能级增多,能较好的调节带隙值;而Y掺杂SnO_2体系价带顶端有一条能级越过了费米线表明该体系呈现出半导体的特征;同时,Y,Zr,Nb掺杂SnO_2使导带底端的能级出现分离;在低能区的态密度仍主要由Sn、O的s轨道贡献;在高能区态密度的掺杂体系出现sp杂化的现象; Zr掺杂SnO_2的态密度能量向低能区移动.     

C-Mg掺杂GaN电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论第一性原理的方法,计算了GaN、C单掺、Mg单掺和C-Mg共掺体系的电子结构和光学性质,计算结果表明:掺杂后,GaN体系的晶格发生畸变,有利于光生空穴-电子对的分离,C-Mg共掺体系结构最稳定,掺杂体系的禁带宽度均减小,其中C-Mg共掺体系的禁带宽度最小,在禁带中引入了杂质能级,说明掺杂可有效降低电子跃迁所需的能量.在光学性质方面,掺杂后,GaN在低能区介电峰和吸收峰均发生红移,且静介电常数增大;其中C-Mg共掺体系的对可见光的吸收最强,极化能力最强,因此C-Mg共掺将有望提高GaN在光催化性能和极化能力.     

Co,N共掺杂锐钛矿相TiO2电子结构和光学性质的第一性原理研究

二氧化钛(TiO2)作为一种性能优良的光催化剂已经被广泛地研究和使用. 本研究中利用了第一性原理和GGA+U方法, 对锐钛矿结构TiO2晶体三种可能的(Co,N)共掺杂体系的几何结构、形成能、电子结构和光吸收系数进行了研究, 并与单掺杂(Co/N)体系进行了对比. 结果表明, 在三种共掺杂TiO2中, Co与N相邻时晶格畸变最小, 但掺杂原子周围晶格畸变较大;同时, 较低的形成能表明此种共掺杂结构最容易形成;此外, 因为Co与N成键, 其杂质能级的数目与能量较其他共掺杂结构有较大差异. (Co,N)共掺杂体系与未掺杂TiO2的相比, 其禁带宽度较小, 禁带中存在杂质能级, 因此其吸收边红移, 在可见光波段有较好的光吸收能力. 故(Co,N)共掺杂可以很好地提升锐钛矿型TiO2在可见光波段的光催化性能.     

Pt-N共掺杂锐钛矿TiO_2的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理中的平面波超软赝势(PWPP)方法对理想TiO_2,N单掺杂,Pt单掺杂和Pt-N共掺杂锐钛矿相TiO_2的电子结构进行计算,分析N单掺杂、Pt单掺杂及Pt-N共掺杂对锐钛矿相TiO_2的晶体结构、能带和态密度的影响.计算结果表明:掺杂后TiO_2的晶格发生畸变,原子间键长的变化使晶格发生膨胀,Pt单掺杂、N单掺杂TiO_2禁带宽度变窄,Pt-N共掺杂TiO_2分别在价带顶和导带底产生杂质能级,且禁带宽度缩小范围大,表明Pt-N共掺杂能进一步提高锐钛矿TiO_2催化性能.     

First principles calculations of electronic and optical properties of Mo and C co-doped anatase TiO2

Using the first principles calculations, the electronic and optical properties of C, Mo and Mo-C-doped anatase TiO₂ are studied. For the Mo mono-doped TiO₂, the band gap reduces little, and the largest perturbation occurs at the CBM of TiO₂. C mono-doping suppresses the effective band gap, but the partially occupied subbands in the gap probably also serve as the recombination centers for electrons and holes. Therefore, the Mo-C co-doping is investigated for the charge compensation consideration. We discuss six doped configurations and find that the total energy of the system is increased with increasing distance of C and Mo. It is found that co-doped configurations with C nearest to Mo possess the lowest total energy. Then, we focus on discussing three possible Mo-C adjacent co-doped configurations. The subbands mainly induced by C-2p states in the band gap become fully occupied because the Mo atom contributes sufficient electrons to C anion for compensation. At the same time, the effective band gap is narrowed about 0.9 eV and the perturbation at the CBM occurred in Mo mono-doped TiO₂ disappears, which means the band edges of doped system still straddle the redox potentials of water. Furthermore, the optical properties of the compensated Mo-C adjacent co-doped TiO₂ and pure TiO₂ are calculated. The optical absorption edges of the Mo-C co-doped TiO₂ shift towards the visible light region.