新型稀磁半导体Mn掺杂LiZnAs的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法, 对纯LiZnAs, Mn掺杂的LiZnAs, Li过量和不足下Mn掺杂的LiZnAs体系进行几何结构优化, 计算并对比分析了体系的电子结构、半金属性、光学性质及形成能.结果表明新型稀磁半导体Li (Zn_0.875Mn_0.125) As, Li_1.1 (Zn_0.875Mn_0.125) As和Li_0.9 (Zn_0.875Mn_0.125) As均表现为100%自旋注入, 材料均具有半金属性, Li过量和不足下体系的半金属性明显增强. Li过量可以提高体系的居里温度, 改善材料的导电性, 使体系的形成能降低. 说明LiZnAs半导体可以实现自旋和电荷注入机理的分离, 磁性和电性可以分别通过Mn的掺入和Li的含量进行调控. 进一步对比分析光学性质发现, 低能区的介电函数虚部和复折射率函数明显受到Li的化学计量数的影响. 关键词： Mn掺杂LiZnAs 电子结构 光学性质 第一性原理     

第一性原理计算Mn掺杂LiMgN新型稀磁半导体

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对纯LiMgN,Mn掺杂LiMgN,及Li过量和不足时Mn掺杂LiMgN的24原子超晶胞体系进行几何优化.分析体系的电子结构、磁性及光学性质.结果表明：Mn的掺入使体系产生自旋极化杂质带,表现出半金属性,且体系性质受Li计量数的影响.Li不足时体系的杂质带宽度减小,半金属性增强,净磁矩减小,居里温度降低.而Li过量时体系的半金属性减弱,杂质带宽度增大,带隙减小,导电能力增强,居里温度提高.光学性质分析发现由于Mn的掺入,体系在低能区出现新的介电峰,同时复折射率函数发生明显变化,体系对低频电磁波吸收加强,出现红移,且仅在Li不足时,能量损失减小且损失峰出现蓝移.     

新型稀磁半导体Mn掺LiCaP的磁电性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,对纯LiCaP、Mn掺杂LiCaP、Li过量和不足时Mn掺杂LiCaP体系进行几何结构优化,计算并分析了体系的电子结构、能带结构、态密度等.结果表明:Li1±y(Ca1-xMnx) P(x=0. 125,y=0. 125)体系均表现为100%自旋注入,材料均具有半金属亚铁磁性,半金属性稳定,磁矩较大且主要来源于Mn掺入形成的深能级杂质带. Li过量时材料的导电性得到改善,Li不足时体系的居里温度(Tc)提高,说明LiCaP半导体的磁性和电性可以分别通过Mn的掺入和Li的含量进行调控.     

Mn掺杂GaN稀磁半导体的电磁特性研究

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不同浓度Mn掺杂GaN(Ga1-xMnxN,x=0.0625和0.1250)的晶格常数、能带结构和态密度,分析比较了掺杂前后GaN的电子结构和磁性.结果表明:Mn掺入后体系仍为直接带隙半导体,带隙宽度随Mn含量的增加逐步增大.Mn掺杂GaN均使得N2p与Mn3d轨道杂化,产生自旋极化杂质带,自旋向上的能带占据费米面,掺杂后的Ga1-xMnxN表现为半金属铁磁性,适合自旋注入;随着Mn掺杂浓度的增加,体系的半金属性有所增强.     

Mn掺杂GaN稀磁半导体的电磁特性研究

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不同浓度Mn掺杂GaN（Ga1-xMnxN, x=0.0625和0.1250）的晶格常数、能带结构和态密度,分析比较了掺杂前后GaN的电子结构和磁性。结果表明：Mn掺入后体系仍为直接带隙半导体,带隙宽度随Mn含量的增加逐步增大。Mn掺杂GaN均使得N 2p与Mn 3d轨道杂化,产生自旋极化杂质带,自旋向上的能带占据费米面,掺杂后的Ga1-xMnxN表现为半金属铁磁性,适合自旋注入;随着Mn掺杂浓度的增加,体系的半金属性有所增强。     

新型稀磁半导体Mn掺杂LiZnP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,对纯LiZnP、Mn掺杂LiZnP、Li过量和不足时Mn掺杂LiZnP体系进行了几何结构优化,计算并分析了体系的电子结构、半金属性、态密度及光学性质。结果表明：LiZnP新型稀磁半导体可以实现自旋和电荷注入机制的分离。Mn的掺入使体系产生自旋极化杂质带,自旋极化率达到100%,表现出半金属铁磁性,且体系性质受Li计量数的影响。当Li不足时杂质带宽度增大,半金属性增强,居里温度提高,形成能最低。进一步比较光学性质发现：Mn掺入后体系光学性质没有明显变化,但随Li的化学计量数的改变,介电函数虚部会在低能区中出现新的介电峰,同时复折射率函数对低频电磁波吸收明显加强,且能量损失在Li过量时最小。     

新型稀磁半导体Mn掺杂LiZnP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,对纯LiZnP、Mn掺杂LiZnP、Li过量和不足时Mn掺杂LiZnP体系进行了几何结构优化,计算并分析了体系的电子结构、半金属性、态密度及光学性质.结果表明:LiZnP新型稀磁半导体可以实现自旋和电荷注入机制的分离.Mn的掺入使体系产生自旋极化杂质带,自旋极化率达到100%,表现出半金属铁磁性,且体系性质受Li计量数的影响.当Li不足时杂质带宽度增大,半金属性增强,居里温度提高,形成能最低.进一步比较光学性质发现:Mn掺入后体系光学性质没有明显变化,但随Li的化学计量数的改变,介电函数虚部会在低能区中出现新的介电峰,同时复折射率函数对低频电磁波吸收明显加强,且能量损失在Li过量时最小.     

Sc掺杂SnO2稀磁半导体的第一性原理研究

采用第一性原理方法,对Sc掺杂SnO2以及含有O空位的Sc掺杂SnO2的电子结构和磁学性质进行了计算。结果表明SnO2晶格中存在两种本征磁性来源,分别为Sc掺杂诱导的未配对O-2p态电子的自旋极化和O空位诱导的未配对Sn-5p态电子的自旋极化。由于两种未配对的弱束缚电子分别由电离施主和受主诱导产生,因此二者之间存在电荷补偿效应,在特定配比下能够使SnO2晶格出现磁性猝灭。     

新型稀磁半导体Fe掺杂LiZnP的光电性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算法研究了新型稀磁半导体Li_(1±)_y(Zn_(1-)_xFe_x)P (x=0, 0.0625;y=0, 0.0625)的电子结构、磁性及光学性质.结果表明,Fe的掺入使体系产生自旋极化杂质带,Fe的3d态与Li2s态,Zn4s态以及P3p态的态密度峰在费米能级处出现重叠,产生sp-d轨道杂化,此时体系净磁矩最大,材料表现出金属性,导电性增强.当Li空位时,导电性减弱,但杂质带宽度最大,居里温度最高.而Li填隙时,体系形成能最低,材料变为半金属性,表现为100%自旋注入,表明掺杂体系的磁性和电性可以分别通过Fe的掺入和Li的含量进行调控.对比光学性质发现,Li空位时,在介电函数虚部和复折射率函数的低能区出现新峰,扩大了对低频电磁波的吸收范围.能量损失函数表明掺杂体系具有明显的蓝移效应,且Li填隙时有更强的等离子共振频率.     

Cu掺杂ZnO稀磁半导体磁电性能影响的模拟计算

在Cu重掺杂量摩尔数为0.02778–0.16667的范围内, 对ZnO掺杂体系磁电性能影响的第一性原理研究鲜见报道. 采用基于自旋密度泛函理论的平面波超软赝势方法, 用第一性原理计算了两种不同Cu单掺杂量Zn_1-xCu_xO (x=0.02778, 0.03125)超胞的能带结构分布和态密度分布. 结果表明, 掺杂体系是半金属化的稀磁半导体; Cu掺杂量越增加、相对自由空穴浓度越增加、空穴有效质量越减小、电子迁移率越减小、电子电导率越增加. 此结果利用电离能和Bohr半径进一步获得了证明, 计算结果与实验结果相符合. 在限定的掺杂量0.02778–0.0625 的条件下, Cu单掺杂量越增加、掺杂体系的体积越减小、总能量越升高、稳定性越下降、形成能越升高、掺杂越难. 在相同掺杂量、不同有序占位Cu双掺ZnO体系的条件下, 双掺杂Cu-Cu间距越增加, 掺杂体系磁矩先增加后减小; 当沿偏a轴或b轴方向Cu–O–Cu相近邻成键时, 掺杂体系会引起磁性猝灭; 当沿偏c轴方向Cu–O–Cu相近邻成键时, 掺杂体系居里温度能够达到室温以上的要求. 在限定的掺杂量0.0625–0.16667的条件下, 沿偏c轴方向Cu–O–Cu相近邻成键时, Cu 双掺杂量越增加, 掺杂体系总磁矩先增加后减小. 计算结果与实验结果变化趋势相符合.     

第一性原理计算Cu-Cr共掺AlN稀磁半导体

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,结合广义梯度（GGA）近似对Cr单掺AlN和Cu-Cr共掺AlN的32原子超原胞体系进行几何结构优化,计算它们的晶格常数,能带结构,电子态密度以及光学性质.结果表明Cr单掺AlN和Cu-Cr共掺AlN均表现为半金属性质,带隙变窄,且Cu-Cr共掺体系自旋极化作用较Cr单掺强,材料表现出良好的铁磁性.共掺杂后,光吸收的范围增宽,体系对长波吸收加强,能量损失明显减小.     

第一性原理研究闪锌矿结构CrSe和CrAs半金属铁磁性的稳定性

运用第一性原理的全势能线性缀加平面波方法对闪锌矿结构CrSe和CrAs的电子结构进行自旋极化计算。闪锌矿结构CrSe和CrAs处于晶格平衡时都具有半金属性,它们自旋向下的电子能带带隙分别为3.38eV 和1. 79eV,同时,它们的自旋总磁矩分别为4.00和3.00μB/formula。自旋总磁矩主要来源于Cr的原子磁矩,Se和As的原子磁矩对总磁矩的贡献很小而且为负值,因而它们具有明显的铁磁性特征. 使晶体晶格在±10%的范围内发生各向同性形变,对闪锌矿结构CrSe和CrAs的电子结构进行计算. 计算结果表明,当晶格各向同性形变分别为-4 % ~ 10 %和-2 % ~10 %时,闪锌矿结构CrSe和CrAs仍然保持半金属铁磁性,并且总磁矩都稳定于4.00和3.00μB/formula.     

第一性原理研究half-Heusler合金VLiBi和CrLiBi的半金属铁磁性

构建只含有一种过渡金属元素的half-Heusler合金VLiBi和CrLiBi.采用第一性原理的全势能线性缀加平面波方法计算half-Heusler合金VLiBi和CrLiBi的电子结构.计算结果表明,VLiBi和CrLiBi是半金属性铁磁体,它们的半金属隙分别是0.25 eV和0.46 eV,晶胞总磁矩分别为3.00 μ_B和4.00 μ_B.磁性计算结果显示,晶胞总磁矩主要来源于V和Cr的原子磁矩,Li和Bi的原子磁矩较弱,而且Bi的原子磁矩为负值.利用平均场近似方法计算合金的居里温度T_C,VLiBi和CrLiBi的居里温度（T_C）的估算值分别为1401 K和1551 K.使晶格常数在±10%的范围内变化,分别计算VLiBi和CrLiBi的电子结构.计算研究表明,晶格常数在-5.6%–10%和-6.9%–10%的范围内变化时VLiBi和CrLiBi仍具有半金属性,并且晶胞总磁矩稳定于3.00 μ_B和4.00 μ_B.采用局域密度近似（LDA）+U（电子库仑相互作用项）的方法计算VLiBi和CrLiBi的电子结构,当U的取值增大到5 eV时VLiBi和CrLiBi仍保持半金属性.此外,采用考虑自旋-轨道耦合（spin-orbit coupling,SOC）效应的广义梯度近似（GGA）+SOC方法计算VLiBi和CrLiBi的电子结构,计算结果显示有微弱的自旋向下能带穿过费米能级,此时VLiBi和CrLiBi在费米面处的自旋极化率分别为98.8%和94.3%,它们的晶胞总磁矩分别为3.03 μ_B和4.04 μ_B.VLiBi的半金属性几乎不受SOC效应的影响,而CrLiBi在费米面处仍有较高的自旋极化率.     

第一性原理研究闪锌矿结构CrSe和CrAs半金属铁磁性的稳定性

运用第一性原理的全势能线性缀加平面波方法对闪锌矿结构CrSe和CrAs的电子结构进行自旋极化计算.闪锌矿结构CrSe和CrAs处于晶格平衡时都具有半金属性,它们自旋向下的电子能带带隙分别为3.38 eV和1.79 eV,同时,它们的自旋总磁矩分别为4.00和3.00μ_B/formula.自旋总磁矩主要来源于Cr的原子磁矩,Se和As的原子磁矩对总磁矩的贡献很小而且为负值,因而它们具有明显的铁磁性特征.使晶体晶格在±10%的范围内发生各向同性形变,对闪锌矿结构CrSe和CrAs的电子结构进行计算.计算结果表明,当晶格各向同性形变分别为-4%～10%和-2%～10%时,闪锌矿结构CrSe和CrAs仍然保持半金属铁磁性,并且总磁矩都稳定于4.00和3.00μ_B/formula.     

Electronic and optical properties of the zinc-blende structured LiZnN under pressure

The electronic and optical properties of the cubic zinc-blende (ZB) structured filled tetrahedral semiconductor α-LiZnN under pressure are investigated by using \textit{ab initio} plane wave pseudopotential density functional theory method within the generalized gradient approximation (GGA). The electronic band structure and the density of state under pressure are systematically described. The basic optical constants, including the reflection and absorption spectra, the energy-loss function, the complex refractive index and the dielectric function, are calculated and analysed at different external pressures. Our results suggested that the ZB α-LiZnN is transparent in the partially ultra-violet to the visible light region, and it seems that the transparency is hardly affected by the pressure.     

First-principles studies of Mn-doped LiCoPO4

This paper investigates Mn-doped LiCoPO₄ material using first-principles calculations. Results indicate that the volume change of LiMn_xCo_1-xPO₄ to Mn_xCo_1-xPO₄ is smaller than that of undoped LiCoPO₄, which is responsible for the excellent tolerance of repeated cycling in lithium ion batteries. Combining first-principles calculations with basic thermodynamics, we calculate the average intercalation voltage of Mn-doped LiCoPO₄. It is shown that the redox couple Mn³⁺/Mn²⁺ can be observed with increasing Mn content. Therefore, the Mn ion displays some electrochemical activity during discharge/charge of LiMn_xCo_1-xPO₄ due to the coexistence of Co and Mn.