A self-driven photodetector based on a SnS2/WS2 van der Waals heterojunction with an Al2O3 capping layer

Photodetectors based on two-dimensional (2D) materials have attracted considerable attention because of their unique properties. To further improve the performance of self-driven photodetectors based on van der Waals heterojunctions, a conductive band minimum (CBM) matched self-driven SnS₂/WS₂ van der Waals heterojunction photodetector based on a SiO₂/Si substrate has been designed. The device exhibits a positive current at zero voltage under 365 nm laser illumination. This is attributed to the built-in electric field at the interface of the SnS₂ and WS₂ layer, which will separate and transport the photogenerated carriers, even at zero bias voltage. In addition, the Al₂O₃ layer is covered by the surface of the SnS₂/WS₂ photodetector to further improve the performance, because the Al₂O₃ layer will introduce tensile stress on the surface of the 2D materials leading to a higher electron concentration and smaller effective mass of electrons in the films. This work provides an idea for the research of self-driven photodetectors based on a van der Waals heterogeneous junction.     

Characteristics of the silver-doped TiO2 nanoparticles

Silver ions doping made enhancement of the photocatalytic activity of TiO₂, which was determined by degradation of methyl orange (MO), a probe molecule, in an aqueous solution. X-ray diffraction (XRD) investigation demonstrated that the silver doping changed lattice parameters of TiO₂, which should attribute to the O vacancies produced by the substitutional silver ion at lattice site. On above results, a doping mechanism of silver ions in TiO₂ was also discussed.     

电荷俘获存储器数据保持特性第一性原理研究

本文研究HfO₂掺入Al替位Hf杂质和氧空位共同掺杂对电荷俘获型存储器存储特性的影响. HfO₂作为高介电常数材料由于具有缩小器件尺寸、提高器件性能等优势, 被广泛用于CTM的俘获层. 采用MS和VASP研究了HfO₂俘获层中掺入Al对氧空位形成能的影响. 同时计算了两种缺陷在不同距离下的相互作用能. 计算结果表明在HfO₂中掺入Al使得氧空位的形成能降低, 并且三配位氧空位的形成能比四配位氧空位的形成能降低的更多. 通过研究Al和三配位氧空位两种缺陷间不同距离的三种情况, 计算结果表明当缺陷间距为2.107 Å时, 体系的电荷俘获能最大; 量子态数最多; 布居数最小、Al–O键最长. 通过研究三种体系写入空穴后键长的变化, 得出当缺陷间距为2.107 Å时, 写入空穴后体系的Al–O键长变化最小. 以上研究结果表明, 掺入Al后可以有效提高电荷俘获型存储器的数据保持能力. 因而本文的研究为改善电荷俘获型存储器数据保持特性提供一定的理论指导.     

掺杂对金属-MoS_2界面性质调制的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,计算了卤族元素掺杂对金属-MoS_2界面性质的影响,包括缺陷形成能、电子能带结构、差分电荷密度以及电荷布居分布.计算结果表明:卤族元素原子倾向于占据单层MoS_2表面的S原子位置;对于单层MoS_2而言,卤族元素的掺杂将在禁带中引入杂质能级以及导致费米能级位置的移动.对于金属-MoS_2界面体系,结合Schottky-Mott模型,证明了卤族元素的掺杂可以有效地调制金属-MoS_2界面间的肖特基势垒高度.发现F和Cl原子的掺杂将会降低体系的肖特基势垒高度.相比之下,Br和I原子的掺杂却增大了体系的肖特基势垒高度.通过差分电荷密度和布居分布的分析,阐明了肖特基势垒高度的被调制是因为电荷转移形成的界面偶极矩的作用导致.研究结果解释了相关实验现象,并给二维材料的器件化应用提供了调节手段.     

(Fe1-xCox)3BO5纳米棒磁性的研究

本文采用高温有机溶剂法制备了(Fe_1-xCo_x)₃BO₅纳米棒, 通过控制反应物中乙酰丙酮钴的含量合成了不同Co含量的(Fe_1-xCo_x)₃BO₅. 利用高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、超导量子干涉磁强计(SQUID)对其形貌和磁性能进行了表征. 高分辨透射电子显微镜结果表明制备出的纳米(Fe_1-xCo_x)₃BO₅为多晶棒状, 且具有多折孪晶结构; 磁性测量的结果表明,(Fe_1-xCo_x)₃BO₅纳米棒在室温下表现出铁磁性, 随着Co含量的增加, 纳米棒的铁磁性逐渐增加, 该纳米棒有望用来研究生物大分子的机械性能.     

强自旋轨道耦合化合物Sr2-xLaxIrO4的掺杂和拉曼谱学

利用固相反应法成功制备了Sr_2-xLa_xIrO₄系列掺杂样品, 并详细研究了样品晶体结构随掺杂的演变. 拉曼散射峰向高频移动和X射线衍射谱的结构精修数据发现随着掺杂量的增加, c轴晶格常数减小, 顶角Ir–O1键键长随之减小, 表明掺杂导致晶格收缩, 而且IrO₆八面体畸变程度减弱. 变温拉曼散射谱显示随着温度降低也出现蓝移现象, 且与顶角氧相关的拉曼振动模式的蓝移在110 K附近出现明显跳变, 表明在该温度附近出现了结构变化和磁性质转变.     

Na+替位掺杂对Li2MnSiO4的电子结构以及Li+迁移过程的影响

在锂二次电池中, 硅酸锰锂作为正极材料得到广泛研究, 但其固有的电子和离子电导率较低, 直接影响着电池的功率密度和充放电速率. 本文建立了不同浓度的Na⁺离子替位掺杂Li⁺离子形成的Li_1-xNa_xMnSiO₄(x=0, 0.125, 0.25, 0.5)结构, 采用第一性原理的方法, 研究了掺杂前后硅酸锰锂的电子结构以及Li⁺离子的跃迁势垒. 发现在Li⁺位替代掺杂Na⁺, 导带底的能级向低能方向发生移动, 降低了Li₂MnSiO₄ 材料的禁带宽度, 有利于提升材料的电子导电性能. 随着掺杂浓度的升高, 禁带宽度逐渐变窄. CI-NEB结果表明, 在Li₂MnSiO₄体系中具有两条有效的Li⁺离子迁移通道, 掺杂Na⁺以后扩大了Li⁺ 离子在[100]晶向上的迁移通道, Li⁺离子的跃迁势垒由0.64 eV降低为0.48, 0.52和0.55 eV. 掺杂浓度为 x=0.125时, 离子迁移效果最佳. 研究表明Na⁺掺杂有利于提高Li₂MnSiO₄材料的离子和电子电导率.     

Tunable electronic properties of GaS-SnS2 heterostructure by strain and electric field

Vertically stacked heterostructures have received extensive attention because of their tunable electronic structures and outstanding optical properties. In this work, we study the structural, electronic, and optical properties of vertically stacked GaS-SnS₂ heterostructure under the frame of density functional theory. We find that the stacked GaS-SnS₂ heterostructure is a semiconductor with a suitable indirect band gap of 1.82 eV, exhibiting a type-II band alignment for easily separating the photo-generated carriers. The electronic properties of GaS-SnS₂ heterostructure can be effectively tuned by an external strain and electric field. The optical absorption of GaS-SnS₂ heterostructure is more enhanced than those of the GaS monolayer and SnS₂ monolayer in the visible light region. Our results suggest that the GaS-SnS₂ heterostructure is a promising candidate for the photocatalyst and photoelectronic devices in the visible light region.     

Transition metal anchored on C9N4 as a single-atom catalyst for CO2 hydrogenation: A first-principles study

To alleviate the greenhouse effect and maintain the sustainable development, it is of great significance to find an efficient and low-cost catalyst to reduce carbon dioxide (CO₂) and generate formic acid (FA). In this work, based on the first-principles calculation, the catalytic performance of a single transition metal (TM) (TM = Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Ir, Pt, Au, or Hg) atom anchored on C₉N₄ monolayer (TM@C₉N₄) for the hydrogenation of CO₂ to FA is calculated. The results show that single TM atom doping in C₉N₄ can form a stable TM@C₉N₄ structure, and Cu@C₉N₄ and Co@C₉N₄ show better catalytic performance in the process of CO₂ hydrogenation to FA (the corresponding maximum energy barriers are 0.41 eV and 0.43 eV, respectively). The partial density of states (PDOS), projected crystal orbital Hamilton population (pCOHP), difference charge density analysis and Bader charge analysis demonstrate that the TM atom plays an important role in the reaction. The strong interaction between the 3d orbitals of the TM atom and the non-bonding orbitals (1π_g) of CO₂ allows the reaction to proceed under mild conditions. In general, our results show that Cu@C₉N₄ and Co@C₉N₄ are a promising single-atom catalyst and can be used as the non-precious metals electrocatalyst for CO₂ hydrogenation to formic acid.     

Ni2O3掺杂对新固相源顶部籽晶熔渗生长法制备单畴GdBCO超导块材超导性能的影响

本文通过在新固相源中添加Ni₂O₃的方法, 采用顶部籽晶熔渗生长工艺(TSIG)制备出组分为(1-x) (Gd₂O₃+1.2BaCuO₂)+x Ni₂O₃、直径为20 mm的单畴GdBCO 超导块材(其中x = 0, 0.02, 0.06, 0.10, 0.14, 0.18, 0.30, 0.50 wt%), 并研究了Ni₂O₃的掺杂量x对样品的表面生长形貌、微观结构、临界温度T_c、磁悬浮力以及俘获磁通密度的影响. 研究结果表明, 当Ni₂O₃的掺杂量x在0–0.50 wt%的范围内时, 均可制备出单畴性良好的样品, 且Ni₂O₃的掺杂对样品中Gd211粒子的分布和粒径没有明显的影响. 在Ni₂O₃的掺杂量x从0增加到0.50 wt%的过程中, 样品的临界温度T_c呈现下降的趋势, 从x=0时的92.5 K下降到x=0.50 wt%时的86.5 K, 这是由于Ni^{3 +}替代GdBCO晶体中Cu^{2 +}所致; 样品磁悬浮力和俘获磁通密度均呈现先增大后减小的变化规律, x=0.14 wt%时, 磁悬浮力达到最大值34.2 N, x=0.10 wt%时, 俘获磁通密度达到最大值0.354 T. 样品磁悬浮力和俘获磁通密度的变化规律与Ni₂O₃的掺杂量x有密切关系, 只有当掺杂量x合适时, Ni³⁺对Cu^{2 +}的替代既不会造成T_c的明显下降, 但又能产生适量的Ni^{3 +}/Cu²⁺ 晶格畸变, 从而达到提高样品磁通钉扎能力和超导性能的效果.     

Ti掺杂NbSe2电子结构的第一性原理研究

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, 计算了理想2H-NbSe₂和Ti掺杂2H-NbSe₂晶体的几何结构及电子结构; 对掺杂前后超胞的能带图、态密度及分波态密度图进行了分析. 结果表明, 掺杂后费米能级附近能量区域的电子态密度出现了较高的峰值, 且费米能级位置发生了改变. 理论上可以认为Ti的掺杂会使得NbSe₂的导电性增强, 有利于开发新型的电接触复合材料.     

SO2-4/BO3-3掺杂对NaGd(MoO4)2∶Eu3+荧光粉发光性能影响的研究

采用柠檬酸钠为表面活性剂的水热法制备了NaGd(MoO₄)₂∶xEu3+(x=10%, 20%, 30%, 40%)和NaGd(MoO₄)₂∶7%Eu3+, ySO2-₄/BO3-₃荧光粉,对所制备样品的晶相、形貌、发光性质进行了表征。XRD分析表明NaGd(MoO₄)₂∶xEu3+和NaGd(MoO₄)₂∶7%Eu3+, ySO2-₄/BO3-₃荧光粉均为四方相的白钨矿结构;红外光谱测试发现有SO2-₄/BO3-₃的特征吸收峰,这表明SO2-₄/BO3-₃被成功掺入基质;荧光光谱测试说明,在NaGd(MoO₄)₂基质中Eu3+掺杂量为30%时发光最强;通过研究NaGd(MoO₄)₂∶7%Eu3+, ySO2-₄/BO3-₃荧光粉的发射光谱,发现适量的SO2-₄/BO3-₃掺杂会使Eu3+的特征发射增强,且掺杂10%SO2-₄或10%BO3-₃后可以减少3%左右的Eu3+掺杂,起到了节约稀土掺杂量的作用。     

Eu_(0.9)M_(0.1)TiO_3(M=Ca,Sr,Ba,La,Ce,Sm)的磁性和磁热效应

EuTi0_3是直接带隙半导体材料,在液氦温度附近呈现反铁磁性,且具有较大的磁熵变,但是当其转变为铁磁性时,可以有效提高低磁场下的磁熵变.本文通过元素替代,研究晶格常数的变化和电子掺杂对磁性和磁热效应的影响.实验采用溶胶凝胶法制备EuTiO_3和Eu_(0.9)M_(0.1)TiO_3 (M=Ca, Sr, Ba, La, Ce, Sm)系列样品.结果表明:大离子半径的碱土金属离子替代提高了铁磁性耦合,有利于提高低磁场下的磁热效应.电子掺杂可以抑制其反铁磁性耦合从而使其表现为铁磁性.当大离子半径的稀土La和Ce离子替代Eu离子时,既增大了晶格常数也实现了电子掺杂,表现出较强的铁磁性.在1 T的磁场变化下,Eu_(0.9)La_(0.1)TiO_3和Eu_(0.9)Ce_(0.1)TiO_3的最大磁熵变分别为10.8和11 J/(kg·K),均大于EuTi0_3的9.8 J/(kg·K);制冷能力分别为39.3和51.8 J/kg,相对于EuTi0_3也有所提高.     

H掺杂α-Fe2O3的第一性原理研究

α-Fe₂O₃是一种重要的磁性半导体材料, 在电子器件中应用广泛, 具有重要的研究意义. 本文基于密度泛函理论, 采用GGA+U方法, 应用第一性原理对间隙H掺杂前后的六方相α-Fe₂O₃的晶格常数、态密度、Bader 电荷分布进行了计算分析. 研究了U值对结果的影响, 发现U=6 eV时, 体相α-Fe₂O₃的晶胞平衡体积、Fe原子磁矩、带隙值与实验值最符合. 在选取合适U值后, 第一性原理计算结果表明, H掺杂后, 间隙H部分被氧化, 其最近邻的Fe 和O部分被还原, H和O有一定程度的成键. 在费米面附近, 出现了新的杂化能级, 杂化能级扩展了价带顶的宽度, 同时导带底下移, 引起带隙减小, 表明H掺杂是一种有效的能带结构调控方法.     

Eu3+或Tb3+掺杂Y2O3纳米材料紫外激发光谱

采用燃烧法制备了不同Ln³⁺(Ln=Eu或Tb)掺杂浓度和不同平均粒径的Y₂O₃:Ln纳米晶体粉末和体材料样品。研究发现随着粒径的减小,Y₂O₃:Eu电荷迁移带的位置发生红移;并且,由于存在于近表面低结晶度环境中的Eu³⁺数量的增加,小粒径样品(5nm)的电荷迁移带还向长波方向发生了明显的展宽。实验中还观察到Y₂O₃:Tb纳米晶激发谱中4f5d(4f⁸→4f⁷5d¹)跃迁吸收对应激发峰(带)的谱线形状随样品粒径变化存在较大的差异,这是由于Tb³⁺存在于近表面的低结晶度和颗粒内部的高结晶度两种不同环境中,Tb³⁺的4f5d跃迁在两种环境中对应的吸收峰位置不同,当样品粒径发生变化时Tb³⁺处于两种环境中的比例随之变化,造成相应吸收跃迁对应的激发峰(带)强度发生变化,并改变了激发谱的谱线形状。实验中还发现,随着Tb³⁺(或Eu³⁺)浓度的减小,Y₂O₃基质激子跃迁吸收的激发峰对比4f5d跃迁(或电荷迁移带)激发峰的相对强度随之增强。     

VO2薄膜表面氧缺陷的修复:F4TCNQ分子吸附反应

VO₂表面氧缺陷的存在对VO₂材料具有显著的电子掺杂效应, 极大地影响材料的本征电子结构和相变性质. 通过2, 3, 5, 6-四氟-7, 7', 8, 8'-四氰二甲基对苯醌(F₄TCNQ)分子表面吸附反应, 可以有效消除表面氧缺陷及其电子掺杂效应. 利用同步辐射光电子能谱和X射线吸收谱原位研究了修复过程中电子结构的变化以及界面的化学反应, 发现这种方式使得VO₂薄膜样品氩刻后得到的V³⁺失去电子成功地被氧化成原先的V⁴⁺, 同时F₄TCNQ分子吸附引起电子由衬底向分子层转移, 界面形成带负电荷的分子离子物种. 受电化学性质的制约, F₄TCNQ分子吸附反应修复氧缺陷较氧气氛退火更安全有效, 不会引起表面过度氧化形成V₂O₅.     

Ce掺杂Bi2O3 光催化剂的制备、表征及其可见光催化性能

采用水热-焙烧法制备了Ce掺杂的可见光响应的Bi₂O₃光催化剂（Ce-Bi₂O₃）。利用 XRD、FT-IR、XPS和 UV-Vis对不同Ce-Bi₂O₃样品进行了表征分析,并以光催化降解金橙Ⅱ溶液为探针反应,考察了Ce-Bi₂O₃的可见光催化性能。结果表明,Ce掺杂可以减小催化剂的禁带宽度,使光谱响应范围向可见光拓展。掺杂的Ce可取代Bi₂O₃晶格中部分Bi,形成Bi-O-Ce键,并生成了少量铈铋复合氧化物（Bi_7.38Ce_0.62O_12.31）,它们的存在有效地抑制了光生电子-空穴对的复合,有助于提高Bi₂O₃的可见光催化活性。但焙烧时间过长将导致Ce-Bi₂O₃催化剂的表面发生烧结现象,致使其催化活性降低。可见光照射下的金橙Ⅱ光催化降解实验表明,经2 h焙烧后得到的Ce/Bi的量比为0.5 的Ce-Bi₂O₃催化剂具有最佳的光催化活性。     

Co-, Fe-, Ni-doped and co-doped rutile GeO2: insights from ab-initio calculations

Rutile germanium oxide (rutile GeO₂), a semiconductor, can act as a half-metallic compound and is a promising material for spintronic and optoelectronic applications. Calculations were performed using the Korringa–Kohn–Rostoker (KKR) approach and the coherent potential approximation (CPA), which were further combined with two approximations, the local density approximation (LDA) and the self-interaction corrected LDA approximation (LDA-SIC), to study the electronic structure of bulk rutile GeO₂ doped and co-doped with three transition-metal impurities: Fe, Co, and Ni. The doping value was set to 10%, while the co-doping level was set to 5% for each impurity. The main findings of this work are: (1) a direct ultrawide bandgap of 4.80 eV is observed and the rutile GeO₂ exhibits an N-type semiconducting property. (2) Doped and co-doped GeO₂ acquire a magnetic behavior and exhibit half-metallicity. (3) The mechanism responsible for these properties is also studied. (4) The critical temperature can reach 334 K when GeO₂ is doped with Fe, while it rises to 398 K when it is co-doped with Fe and Co. (5) The spin polarization can be improved by co-doping. It can be inferred that rutile GeO₂ doped or co-doped with (Co, Fe) transition metals can be considered to be potential candidates for spintronic and optoelectronic applications.     

Li修饰的C24团簇的储氢性能

利用密度泛函理论研究了Li原子修饰的C₂₄团簇的储氢性能. Li原子在C₂₄团簇表面的最佳结合位是五元环. Li原子与C₂₄团簇之间的作用强于Li原子之间的相互作用, 能阻止它们在团簇表面发生聚集. 当Li原子结合到C₂₄表面时, 它们向C原子转移电子后带正电荷. 当氢分子接近这些Li原子时, 在电场作用下发生极化, 通过静电相互作用吸附在Li原子周围. 在Li修饰的C₂₄复合物中, 每个Li原子能吸附两到三个氢分子, 平均吸附能处于0.08到0.13 eV/H₂范围内. C₂₄Li₆能吸附12个氢分子, 储氢密度达到6.8 wt%.     

梯度掺杂体异质结对有机太阳能电池光电转换效率的影响

基于传统的体异质结有机太阳能电池结构, 对结构中的混合层改用梯度掺杂的方法, 在AM1.5, 100 mW/cm²光照下, 使得器件的短路电流由原来的7.72 mA/cm²提高到了9.18 mA/cm², 相应的光电转换效率提高了25%. 器件性能的提升归因于梯度掺杂体系的引入使得体异质结混合层中同一材料分子之间形成了较好的连续网络结构, 降低了器件的串联电阻, 提高了电极对载流子的收集效率, 从而提高了器件的光电转换效率. 关键词： 有机太阳能电池 体异质结 梯度掺杂