Cr掺杂ZnO纳米线电子性质和磁性质

本文采用第一性原理密度泛函理论系统的研究了Cr原子单掺杂和双掺杂两种尺寸ZnO纳米线的电子性质和磁性质.所有掺杂纳米线的形成能都比纯纳米线的形成能低,表明掺杂增强了纳米线的稳定性.研究发现Cr原子趋于替代纳米线表面的Zn原子.所有掺杂纳米线都显示了金属性.纳米线的总磁矩主要来源于Cr原子3d轨道的贡献.由于杂化,相邻的O原子和Zn原子也产生了少量自旋.在超原胞内,Cr和O原子磁矩反平行排列,表明它们之间是反铁磁耦合.表面双掺杂纳米线铁磁态能量比反铁磁态能量低149 meV,表明Cr掺杂ZnO纳米线可能获得室温铁磁性.     

Gd掺杂ZnO纳米线磁耦合性质的第一性原理研究

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了钆(Gd)掺杂氧化锌(ZnO)纳米线的磁耦合特性. 讨论了两个Gd原子替换ZnO纳米线中不同位置Zn原子的各种可能情况. 计算发现, ZnO中掺杂的Gd原子处于相邻的位置时它们之间的相互作用是铁磁性的, 并且体系的铁磁性可以通过注入合适数目的电子来得到加强. 同时发现Gd掺杂ZnO纳米线后s-f耦合作用变得显著, 使得体系的铁磁性变得更加稳定, 这也是Gd掺杂ZnO纳米线呈现铁磁性的原因. 这些结果为实验上发现的Gd掺杂ZnO纳米线呈铁磁性提供了理论依据.     

表面钝化对ZnO纳米线压电性的影响

本文利用第一性原理方法,研究了四种表面钝化对六角形[001]方向ZnO纳米线压电性质的影响. 研究发现,在50%H/50%Cl和50%H/50%F两种钝化中,体积效应和表面效应都起到了增强压电性的作用. 而在100%H和100%Cl的两种钝化中,表面效应被弱极化的表面电荷屏蔽,不能起到增强压电性的作用. 此外,结果还揭示了体积效应和表面效应的竞争使得实验上不能观察到ZnO纳米线压电性的直径依赖现象,并提出了利用表面钝化缩小纳米线轴向晶格常数或增大表面极化来提高压电性的方法.     

Li掺杂ZnO系统的电子结构和光学性质

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了Li掺杂Zn O系统的电子结构和光学性质。结果表明,随着掺杂浓度的增大,带隙线性增大,吸收边蓝移。由于杂质吸收,掺杂系统在可见光区附近产生了新的吸收峰,适度掺杂可以提高可见光的吸收率,改善系统的光催化特性。     

Mn掺杂ZnO纳米线磁性质的第一性原理研究

本文采用第一性原理方法系统研究了Mn原子单掺杂和双掺杂ZnO纳米线的稳定性和磁性质.所有掺杂纳米线的束缚能都为负值,表明掺杂增强了纳米线的稳定性.表面掺杂纳米线显示了直接带隙半导体特性,而中间掺杂纳米线显示了间接带隙半导体特性.纳米线的总磁矩主要来源于Mn原子3d轨道的贡献.由于杂化,相邻的O原子和Zn原子也产生了少量自旋.在超原胞内,Mn原子和O原子磁矩平行排列,表明它们之间是铁磁耦合.     

不同价态稀土元素Yb掺杂ZnO的电子结构和光学性质

基于密度泛函理论, 采用第一性原理平面波超软赝势法, 对六方纤锌矿结构的ZnO晶体和Yb²⁺, Yb³⁺分别掺杂ZnO晶体进行几何优化, 并在此基础上计算得到了未掺杂ZnO晶体及不同价态Yb元素掺杂ZnO体系的空间结构、 能带、电子态密度及光学性质.结果表明: 掺杂后体系形成能减少, 稳定性增加, 并引入了Yb-4f杂质能级. 掺杂不同价态的Yb元素对能带结构产生了不同的影响, 并且都使体系的光学性质发生了明显变化.与纯ZnO相比, Yb²⁺, Yb³⁺ 分别掺杂ZnO体系的介电函数虚部在0.46 eV处均出现新峰, 静态介电函数明显增大, 吸收带边均红移, 并在0.91 eV处出现较强吸收峰, 对产生这一现象的原因给出了定性的讨论. 关键词： 掺杂 ZnO 不同价态 第一性原理     

Ga掺杂ZnO电子结构和吸收光谱的第一性原理研究

采用第一性原理的平面波赝势方法和广义梯度近似,研究了纤锌矿ZnO掺杂Ga前后的电子结构和光学性质.计算结果表明,ZnO中引入杂质Ga后,导带底主要由Ga4s态和Zn4s态构成,并且Ga4s态跨过费米能级,形成n型半导体.计算得到电子浓度为2.42×10~(21)cm~(-3),掺Ga有效提高了ZnO的载流子浓度.同时ZnO掺Ga后,ZnO的光学带隙从3.47 eV展宽为4.25 eV,并且在可见光区几乎无吸收,是理想的透明导电材料.     

过渡金属TM(V,Cr,Mn)掺杂ZnS的电子结构和磁性

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理赝势平面波方法,对过渡金属V、Cr、Mn掺杂ZnS的超晶胞体系进行了几何结构优化,计算了晶格常数、电子结构与磁学性质.研究结果表明:掺入V,Cr后,ZnS表现出明显的半金属性,而掺入Mn后,半金属性不明显;掺入过渡金属TM(V,Cr,Mn)后系统产生的磁矩主要有杂质的3d态电子贡献,且磁矩的大小与过渡金属的电子排布有关.     

过渡金属TM(V,Cr,Mn)掺杂ZnS的电子结构和磁性

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理赝势平面波方法,对过渡金属V、Cr、Mn 掺杂ZnS的超晶胞体系进行了几何结构优化,计算了晶格常数、电子结构与磁学性质。研究结果表明：掺入V,Cr后,ZnS表现出明显的半金属性,而掺入Mn后,半金属性不明显;掺入过渡金属TM(V,Cr,Mn)后系统产生的磁矩主要有杂质的3d态电子贡献,且磁矩的大小与过渡金属的电子排布有关。     

Co和Mn共掺杂ZnO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的总体能量平面波超软赝势方法,结合广义梯度近似,对未掺杂ZnO与Co和Mn共掺杂ZnO的32原子超原胞体系进行了几何结构优化,计算了纤锌矿结构ZnO与Co和Mn共掺杂ZnO的能带结构、电子态密度和光学性质,并进行了详细的分析.计算结果表明,相对于未掺杂ZnO,Co和Mn共掺杂ZnO的禁带宽度有所减小,对紫外-可见光的吸收能力明显增强. 关键词： ZnO 第一性原理 电子结构 光学性质     

过渡金属掺杂ZnO的电子结构和光学性质

利用基于密度泛涵理论的超软赝势法(USPP)，结合局域密度近似(LDA)，对过渡族金属离子掺杂的纤锌矿型ZnO做第一性原理计算，得到了它的平衡晶格常数、结合能、电子态密度分布、能带结构、介电函数、光学吸收系数等性质，详细讨论了掺杂后ZnO化合物的电子结构及成键情况，并结合实验结果定性分析了掺杂后光学性质的变化. 关键词： 氧化锌 掺杂 第一性原理 光学性质     

Fe和Ni共掺杂ZnO的电子结构和光学性质

基于密度泛函理论的第一性原理研究Fe,Ni单掺杂和(Fe,Ni)共掺杂纤锌矿型ZnO的能带结构、电子态密度分布、介电函数、光学吸收系数,分析了掺杂后电子结构与光学性质的变化.计算结果表明：掺杂体系的费米能级附近电子态密度主要来源于Fe 3d,Ni 3d态电子的贡献;与纯净ZnO相比,Fe,Ni单掺杂和(Fe,Ni)共掺杂ZnO的介电函数虚部均在0.46eV左右出现了一个新峰;Fe,Ni单掺杂和共掺杂ZnO的吸收光谱均发生明显的红移,并都在1.3eV处出现较强吸收峰.结合他人的计算和实验结果,给出了定性的讨 关键词： 氧化锌 掺杂 第一性原理 光学性质     

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。     

Electronic and luminescent properties of Cr-doped cadmium sulfide nanowires

Cr-doped CdS nanowires were synthesized in large scale through thermal co-evaporation of CdS and metal Cr powders. General morphology, detailed microstructure and optical properties were characterized using various techniques. Devices consisting of individual Cr-doped CdS nanowire were fabricated and they exhibited remarkable rectifying characteristics. I-V curves of individual Cr-doped CdS nanowire devices demonstrate that the present nanowires are n-type doped and have high conductivity (10.96 \Omega ^-1cm^-1, indicating great potential applications in nanoscale electronic and optoelectronic devices.     

面心立方单晶镍纳米线稳定性及磁性的第一性原理计算

本文采用第一性原理方法,研究了轴向为低指数晶向的面心立方(fcc)单晶镍纳米线的稳定性和磁性.计算表明,[110] 是fcc镍纳米线最容易出现的取向,[111] 取向次之,而 [001] 取向则很难出现,这一结果与实验事实符合.镍纳米线按照原子位置和磁性强弱的不同,可以分成简单的芯-壳结构,在纳米线芯部,原子的磁矩大小与块体基本一致.在纳米线表面,镍原子的磁矩比芯部原子有所增加.表面原子磁矩与轴向的取向相关,[110] 为轴向的纳米线表面原子磁矩最低,而[001] 为轴向的纳米线表面原子磁矩最高. 关键词： 镍 纳米线 第一性原理 原子磁矩     

Ni掺杂对ZnO磁光性能的影响

在掺杂浓度范围为2.78%—6.25%(物质的量分数)时,Ni掺杂ZnO体系吸收光谱分布的实验结果存在争议,目前仍然没有合理的理论解释.为了解决存在的争议,在电子自旋极化状态下,采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,构建不同Ni掺杂量的ZnO超胞模型,分别对模型进行几何结构优化和能量计算.结果表明,Ni掺杂量越大,形成能越高,掺杂越难,体系稳定性越低,掺杂体系带隙越窄,吸收光谱红移越显著.采用LDA(局域密度近似)+U方法调整带隙.结果表明,掺杂体系的铁磁性居里温度能够达到室温以上,磁矩来源于p-d态杂化电子交换作用.Ni掺杂量越高,掺杂体系的磁矩越小.另外还发现Ni原子在ZnO中间隙掺杂时,掺杂体系在紫外光和可见光区的吸收光谱发生蓝移现象.     

First-principles study of the electronic and optical properties of ZnO nanowires

The geometric, energetic, electronic structures and optical properties of ZnO nanowires (NWs) with hexagonal cross sections are investigated by using the first-principles calculation of plane wave ultra-soft pseudo-potential technology based on the density functional theory (DFT). The calculated results reveal that the initial Zn-O double layers merge into single layers after structural relaxations, the band gap and binding energies decrease with the increase of the ZnO nanowire size. Those properties show great dimension and size dependence. It is also found that the dielectric functions of ZnO NWs have different peaks with respect to light polarization, and the peaks of ZnO NWs exhibit a significant blueshift in comparison with those of bulk ZnO. Our results gives some reference to the thorough understanding of optical properties of ZnO, and also enables more precise monitoring and controlling during the growth of ZnO materials to be possible.     

Tuning the growth of ZnO nanowires

ZnO nanowires (NWs) with different diameters were obtained by controlling the particles of ZnO sub-layer (SL) exploring hydrothermal method; the diameter of the epitaxial NWs could be tuned from 60 to 146 nm when using SL with a thickness of 70 nm. The thickness of the SL would influence the orientation of the NWs. The top agglomerate NWs could be formed on the SL with a thickness of 10 nm, and the NWs with better orientation were obtained using SL with a thickness of 70 nm. Well aligned ZnO NWs grew perpendicular to the completely stress released SL. The diameter of the NWs was also greatly influenced by the solution concentration; thus ultra fine (diameter∼11 nm) ZnO NWs were obtained through adjusting the solution concentration to 0.001 mol/L. Through our research, we also found that the growth rate of the NWs could also be influenced by the different polarity surface of the SL. In other words, the size of the ZnO NWs could be tuned exactly under optimal conditions.     

Flexible electrically pumped random lasing from ZnO nanowires based on metal–insulator–semiconductor structure

Flexible electrically pumped random laser(RL) based on ZnO nanowires is demonstrated for the first time to our knowledge. The ZnO nanowires each with a length of 5 μm and an average diameter of 180 nm are synthesized on flexible substrate(ITO/PET) by a simple hydrothermal method. No obvious visible defect-related-emission band is observed in the photoluminescence(PL) spectrum, indicating that the ZnO nanowires grown on the flexible ITO/PET substrate have few defects. In order to achieve electrically pumped random lasing with a lower threshold, the metal–insulator–semiconductor(MIS) structure of Au/SiO_2/ZnO on ITO/PET substrate is fabricated by low temperature process. With sufficient forward bias, the as-fabricated flexible device exhibits random lasing, and a low threshold current of ～ 11.5 m A and high luminous intensity are obtained from the ZnO-based random laser. It is believed that this work offers a case study for developing the flexible electrically pumped random lasing from ZnO nanowires.