Theoretical optoelectronic analysis of intermediate-band photovoltaic material based on ZnY1-xOx （Y = S,Se, Te） semiconductors by first-principles calculations

The structural, energetic, and electronic properties of lattice highly mismatched ZnY1-xOx （Y = S, Se, Te） ternary alloys with dilute O concentrations are calculated from first principles within the density functional theory. We demonstrate the formation of an isolated intermediate electronic band structure through diluted O-substitute in zinc-blende ZnY （Y = S, Se, Te） at octahedral sites in a semiconductor by the calculations of density of states （DOS）, leading to a significant absorption below the band gap of the parent semiconductor and an enhancement of the optical absorption in the whole energy range of the solar spectrum. It is found that the intermediate band states should be described as a result of the coupling between impurity O 2p states with the conduction band states. Moreover, the intermediate bands （IBs） in ZnTeO show high stabilization with the change of O concentration resulting from the largest electronegativity difference between O and Te compared with in the other ZnSO and ZnSeO.     

CdS掺Mg和Ni电子结构和光学性质的密度泛函理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对闪锌矿结构CdS和CdS∶M(M=Mg,Ni)几何结构、能带结构、电子态密度和光学性质进行了系统的研究。几何结构研究对掺杂后体系晶格常量进行了优化计算,结果表明Mg和Ni原子掺入CdS后晶格常量均减小,晶格发生局部畸变。进一步研究了掺杂对体系电子结构的影响,能带结构和电子态密度分析表明由于Ni 3d电子的引入使CdS∶Ni成为半金属铁磁半导体,而Mg 3s电子的引入CdS∶Mg带隙变宽。另外,体系掺杂后,吸收系数分析表明掺杂导致吸收峰在可见光波长区域变化显著,且掺Ni导致吸收峰进一步向长波方向移动。     

不同Yb掺杂浓度的ZnO的电子结构与光学特性

本文基于密度泛函理论(DFT)框架下的第一性原理计算方法,研究了不同Yb浓度掺杂ZnO体系的电子结构和光学性质.计算得到的结果证明,Yb掺杂ZnO后会造成电子结构和光学性质的明显改变.增加掺杂浓度使能带带隙逐渐变窄,其费米能级向上移动到导带,表现出n型半导体的特性;在Yb-4f态导带附近的带隙中产生了新的缺陷,同时观察到更好的吸收系数和折射率.因此,Yb掺杂ZnO对其电子性质和光学结构有很大的影响,为进一步深入了解掺杂ZnO性质的影响提供理论基础.     

Cd、Sr掺杂Mg2Ge电子结构和光学性质的第一性原理研究

此文用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法,分别研究了本征、掺Cd、掺Sr的Mg₂Ge的能带结构、电子态密度和光学性质.研究结果表明,本征Mg₂Ge是一种间接带隙半导体,带隙值为0.228eV.Sr的掺入使其变成带隙为0.591 eV的直接带隙半导体,Cd掺杂Mg₂Ge后表现出半金属性质.掺杂后的主要吸收峰减小,吸收谱范围增加.在可见光能量范围内,掺杂的Mg₂Ge有更低的反射率,对可见光的利用率增强.此外,掺杂还提高了高能区的光电导率.     

First-Principles GGA+U Study of Intermediate-Band Characters from Zn_(1-x)M_xO(M=3d Transition-Metal) Alloys Suitable for High Efficiency Solar Cell

The electronic structure characters are calculated for the Zn_(1-x)M_xO alloys with some Zn atoms in ZnO substituted by 3d transition-metal atoms(M),in order to find out which of these alloys could provide an intermediate band material used for fabricating high efficiency soiar cell.Especially,among of these alloys,the electronic structure character and optical performance of Zn_(1-x)Cr_xO alloys clearly show an intermediate band Med partially and isolated from the VB and the CB in energy band structure of ZnO host,and the intermediate band characters can be preserved with increasing Cr concentrations no more than 8.33%in Zn_(1-x)Cr_xO alloys,at the same time,the ratio 0.52 of E_g~(FC) to E_g~(VE) in Zn_(1-x)Cr_xO,(x = 4.16%) alloy is closest to the optimal ratio of 0.57.Besides,compared to the ZnO,the optical absorption does indicate a great improved absorption below the calculated band gap of the ZnO and an enhancement of the optical absorption in the whole solar spectral energy range.     

替位和间隙原子N对ZnO电子结构和光学性质的影响

本文采用密度泛函理论,深入研究了N作为替位和间隙原子对ZnO电子结构和光学性质的影响,结果表明：由于N在八面体间隙位置的形成能小所以更倾向于占据八面体间隙位置;N掺杂ZnO会形成p型半导体;N在间隙位置能够明显的缩小带隙宽度,可以有效的促进ZnO对光的吸收;在可见光区,处于间隙位置的N具有良好的光学吸收谱并且产生明显的红移,这与带隙的变化规律一致。     

扭转形变对石墨烯吸附O原子电学和光学性质影响的电子理论研究

基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了扭转形变对石墨烯吸附O体系结构稳定性、电子结构和光学性质,包括吸附能、带隙、吸收系数及反射率的影响.研究发现,吸附O原子后,距O原子最近的C原子被拔起,导致石墨烯平面发生扭曲.吸附能计算表明,扭转形变使石墨烯吸附O原子体系结构稳定性下降,而扭转程度对结构稳定性影响微弱.能带结构分析发现,O原子的吸附使石墨烯由金属变成半导体,扭转形变发生时,可实现其从半导体到金属、再到半导体特性的转变.扭转角为12°的吸附O原子体系为间接带隙,而其他出现带隙的体系均为直接带隙.与本征石墨烯受扭体系相比,吸附O原子体系的电子结构对扭转形变的敏感度降低,其中扭转角在10°—16°范围内变化时,带隙始终稳定在0.11 eV附近,即在此扭转角范围内始终对应窄带隙半导体.在光学性能中,受扭转形变的吸附体系吸收系数和反射率峰值较未受扭转形变石墨烯吸附O原子体系均减弱,且随着扭转程度的加剧,均出现红移到蓝移的转变.     

低对称层状ReS2的电子结构和各向异性光学性质研究

采用第一性原理赝势平面波方法计算了三斜晶系低对称层状半导体二硫化铼（ReS2）的晶体结构、电子结构及光学性质。结果表明：扭曲的1T结构为ReS2的稳定结构, Re原子与其周围的S原子形成六配位的近似八面体结构,Re-S键长最大偏差为8.3%,Re-S键布局数最大偏差为40.5%,表明ReS2结构的低对称性;ReS2为直接带隙半导体,费米面附近的价带和导带主要由Re的5d及S的3p轨道电子构成,其中Re的5d轨道电子的贡献最大;当入射偏振光沿着[100]和[010]方向时,介电函数的实部（或虚部）非常接近,而当入射偏振光沿[001]方向时,介电函数的实部（及虚部）表现出明显的各向异性,主要是由于ReS2的结构低对称性和弱层间耦合造成的。     

二维Ag2S的电子和光电性能的第一性原理研究

二维Ag₂S是一种具有间接宽带隙的半导体材料,由其在平面内和平面外具有独特的力学性质,因此受到了人们的广泛关注.本文基于密度泛函理论进行了第一性原理计算,研究了二维Ag₂S的电子、光学性质的变化.二维Ag₂S具有较强的方向各异性,通过不同浓度的O取代S替换掺杂,发现随着O浓度的增加,带隙值出现先增大后减小的现象;由于O元素的引入,使二维Ag₂S结构对称性降低,引起能带及光吸收、光反射的分布离散化.y方向4.56～5.36 e V处光吸收及光反射峰随掺杂浓度增加逐渐减小,且出现明显的蓝移.     

第一性原理研究B掺杂Mn_4Si_7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计算方法,对未掺杂及B掺杂Mn_4Si_7的电子结构和光学性质进行理论计算.研究结果表明,未掺杂Mn_4Si_7是间接带隙半导体,其禁带宽度为0.786 eV,B掺杂后其禁带宽度下降为0.723 eV. B掺杂Mn_4Si_7是p型半导体材料.未掺杂Mn_4Si_7在近红外区的吸收系数达到10~5 cm~(-1),B掺杂引起Mn_4Si_7的折射率、吸收系数、反射系数及光电导率增加.     

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。     

不同浓度Mg掺杂单层Janus WSSe的第一性原理研究

二维Janus WSSe作为一种新型过渡金属硫族化合物(TMDs)材料由于其独特的面外非对称结构及众多新颖的物理特性,在自旋电子器件中具有巨大的应用潜力.本文基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,通过构建四种掺杂模型W_9-xMg_xS₉Se₉(x=0、1、2、3),分别计算了不同浓度Mg掺杂单层WSSe的电子结构和光学性质.结果表明：掺杂使得WSSe由直接带隙半导体变为间接带隙半导体,并且随着掺杂浓度的增加,带隙逐渐减小,费米能级穿过价带,使得掺杂体系变成P型半导体,当x=3时,掺杂体系呈现金属性.此外,掺杂体系的静态介电常数随着掺杂浓度的增加而变大,极化程度显著增强,介电函数虚部和光吸收峰都发生了红移,说明掺杂有利于可见光的吸收.并且,静态折射率随着掺杂浓度的增加而呈现上升趋势,同时消光系数的峰值也与Mg原子的掺杂浓度呈现正相关.     

硼氮掺杂对立方PbTiO3电子结构和光学性质影响的第一性原理研究

钛酸铅(PTO)因具有优异的铁电、压电特性及光学性质而备受关注.但B、N掺杂对顺电相PTO电子结构和光学性质的影响还不明确,因此,利用第一性原理对立方PTO开展准确的性质预测尤为必要.本文采用广义梯度近似的PBE泛函(GGA-PBE)和杂化泛函(HSE06)研究了B、N替位掺杂(B_O、N_O)和O空位(V_O)对PTO的基态性质、电子结构和光学性质的影响.研究表明：贫氧态的PTO比富氧态更容易形成杂质缺陷,且N_O缺陷最难形成.当B_O、N_O缺陷存在时,PTO的价带顶和导带底向低能量方向移动,在两者之间出现杂质能级,使其导电性能提高且含B_O的PTO为间接带隙半导体,而含N_O的PTO为直接带隙半导体. N_O体系在波长大约为230 nm处有最大吸收峰,该峰主要源于O 2p和Ti 3d之间的电子跃迁,且N_O体系对可见光的吸收能力最强,有望提高PTO的光催化能力.     

Theoretical investigation on the electronic and thermoelectric properties of RuSb2Te compound

The skutterudites are an excellent candidate for thermoelectric materials used in mechanic free heat pump and electric generator. Using the ab initio density functional theory we have calculated the electronic band structure and thermoelectric properties of skutterudite RuSb₂Te. RuSb₂Te compound belongs to an indirect band gap semiconductor. The density of states has a sharp upturn at the conduction band edge and is very low at the valence band top. This feature suggests that Seebeck coefficient is larger for n doped than for p doped RuSb₂Te compound. The calculated Seebeck coefficient confirms this trend. It is in a qualitative agreement with the experiments if the temperature is not too high.     

锰掺杂二硅化铬电子结构和光学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(DFT)赝势平面波方法计算了锰掺杂二硅化铬(CrSi2)体系的能带结构、态密度和光学性件质.计算结果表明末掺杂CrSi2属于间接带隙半导体间接带隙宽度△ER=0.35 eV;Mn掺杂后费米能级进入导带,带隙变窄,且间接带隙宽度△Eg=0.24 eV,CrSi2转变为n型半导体.光学参数发生改变,静态介电常数由掺杂前的ε1(O)=32变为掺杂后的ε1(O)=58;进一步分析了掺杂对CrSi2的能带结构、态密度和光学性质的影响,为CrSi2材料掺杂改件的研究提供r理论依据.     

高压下固态Kr弹性性质、电子结构和光学性质的第一性原理计算

采用密度泛函理论中平面波基矢,模守恒赝势结合局域密度近似以及广义梯度近似对固态Kr在高压下的结构以及弹性性质进行了研究, 通过计算发现弹性常数,Debye温度以及声速都随压力的增大而增大,所计算的弹性常数与实验和其他的理论符合的很好. 利用Debye模型得到了固态Kr的热力学性质, 熵随压力的增大而减小,随温度升高而升高;而定容热容C_v,定压热容C_p则随温度升高而升高,而且C_v在达到一定温度时趋于定值,所得的热力学性质和实验值是相符的．最后还预测了固态Kr在高压下的电子结构和光学性质, 计算结果表明随压力的增加固态Kr的前沿能带变窄,光吸收系数增大,吸收峰增宽,电子更容易发生跃迁,固态Kr有可能转化为半导体． 关键词： Kr 第一性原理 弹性常数 光学性质     

Interband thermoluminescence of semiconductors and semiconductor nanocrystals in the near-infrared

The thermally excited luminescence of undoped semiconductors and semiconductor nanocrystals near the band gap is explored by a simple and unconventional experimental technique. Luminescence spectra are obtained at ambient conditions after slightly heating the samples to approximately 100 °C without using any additional electronic or optical means of excitation. In our investigations, bulk GaAs, bulk InP and semiconductor doped glasses are studied. We show that absorption properties and band gap positions obtained directly from emission spectra not only correspond well to those obtained from transmission measurements, but also yield additional information about the role of defects giving rise to emission from within the band gap.     

Landau quantization effects in the charge-density-wave system (Per)2M(mnt)2 (where M = Au and Pt)

A finite transfer integral t(a) orthogonal to the conducting chains of a highly one-dimensional metal gives rise to empty and filled bands that simulate an indirect-gap semiconductor upon formation of a charge-density wave (CDW). In contrast to semiconductors such as Ge and Si with band gaps approximately 1 eV, the CDW system possesses an indirect gap with a greatly reduced energy scale, enabling moderate laboratory magnetic fields to have a major effect. The consequent variation of the thermodynamic gap with magnetic field due to Zeeman splitting and Landau quantization enables the electronic band structure parameters (transfer integrals, Fermi velocity) to be determined accurately. These parameters reveal the orbital quantization limit to be reached at approximately 20 T in (Per)2M(mnt)(2) salts, making them highly unlikely candidates for a recently proposed cascade of field-induced CDW states.     

LaAlO3/SrTiO3界面的电子结构及光学性质的第一性原理研究

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,结合局域密度近似（LDA）研究了钙钛矿结构氧化物LaAlO3 /SrTiO3界面的电子结构及光学性质。能带结构分析表明当形成(AlO2)-/(TiO2)0界面时其禁带宽度为1.888 eV,呈现绝缘体的性质,当形成(LaO)+/(SrO)0界面时其禁带宽度为0.021 eV,呈现半导体或半金属性质。同时,对不同界面的光学性质也进行了研究,结果表明纯相的LaAlO3和SrTiO3的吸收系数、反射系数及能量损失谱强度明显高于由这两种单质形成不同界面的强度。     

3d过渡金属元素掺杂Al12N12纳米线几何结构和电子性能的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,系统地研究了不同3d过渡金属元素(Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni)掺杂Al₁₂N₁₂纳米线的几何结构、稳定性和电子结构.结果表明：所有掺杂体系均是热力学稳定的;掺杂Ni时体系保留了原有的非磁性间接带隙半导体特性;当掺杂其它原子(Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co)时体系仍然保持为半导体,但带隙明显减小.掺杂过渡金属原子对于Al₁₂N₁₂纳米线的电子结构具有明显的调控作用,在能带调控和光电方面有潜在的应用前景.