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.     

氧化硅层厚度对Si/SiO2界面电子态结构与光学性质的影响

在氧化硅上生长纳米硅晶,保持氧化硅的直接带隙结构,降低其能带带隙,以用于发光和光伏。采用基于密度泛函理论的第一性原理研究了块体α-方石英、薄膜α-方石英、Si/SiO₂界面的电子态结构和Si/SiO₂界面的光学性质。结果显示,其均为直接带隙半导体,当薄膜α-方石英厚度和Si/SiO₂界面氧化硅层厚度逐渐减小时,能带带隙均逐渐变大,表现出明显的量子限制效应。光学性质计算结果表明：Si/SiO₂界面虚部介电峰和吸收峰的峰值随氧化硅层厚度降低而显著升高,且峰位向高能量方向蓝移。使用脉冲激光沉积制备了氧化硅上硅晶薄膜,测量了Si/SiO₂界面样品的PL光谱,在670 nm处存在一个强的发光峰,在波长超过830 nm后,Si/SiO₂界面样品的发光强度不断升高。因此,可以通过控制Si/SiO₂界面氧化硅层厚度有效地调控Si/SiO₂界面的电子态结构和光学性质,引进边缘电子态,调控其带隙进入1～2 eV区间,获取硅基发光材料...     

不同浓度Er掺杂Si纳米晶粒电子结构和光学性质的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理,对不同浓度Er掺杂Si纳米晶粒的结构稳定性、电子和光学性质进行了研究.结果表明: Si纳米晶粒中Er掺杂浓度越低,结构越稳定;Er掺杂后的Si纳米晶粒引入了杂质能级,导致禁带宽度变窄;掺杂后的Si纳米晶粒在低能区出现了一个较强的吸收峰,随着浓度的降低,吸收峰峰值逐渐减小,甚至消失. 这为Si基发光材料的设计提供了理论依据. 关键词： Si纳米晶粒 掺杂 电子结构 光学性质     

第一性原理研究厚度和空位缺陷对Si/SiO2界面电子结构与光学性质的影响

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,在局域密度近似（LDA）下研究了Si纳米层厚度和O空位缺陷对Si/SiO2界面电子结构及光学性质的影响．电子结构计算结果表明：在0.815~2.580nm的Si层厚度范围内,Si/SiO2界面结构的能隙随着厚度减小而逐渐增大,表现出明显的量子尺寸效应,这与实验以及其他理论计算结果一致;三种不同的O空位缺陷的存在均使得Si/SiO2界面能隙中出现了缺陷态,费米能级向高能量方向移动,且带隙有微弱增加．光学性质计算结果表明：随着Si纳米层厚度的减小,Si/SiO2界面吸收系数产生了蓝移;O空位缺陷引入后,界面光学性质的变化主要集中在低能区,即低能区的吸收系数和光电导率显著增加．可见,改变厚度和引入缺陷能够有效地调控Si/SiO2界面体系的电子和光学性质,上述研究结果为Si/SiO2界面材料的设计与应用提供了一定的理论依据．     

稀土元素Sc、Tm掺杂GaSb的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法研究了本征GaSb以及稀土元素Sc、Tm掺杂后的GaSb的电子结构和光学性质.计算结果表明：Sc、Tm掺杂后GaSb仍为直接带隙的P型半导体. Sc掺杂后GaSb在导带中诱导了浅能级缺陷态,带隙变窄. Tm掺杂后GaSb在导带中诱导了深能级缺陷态,带隙变宽. Sc、Tm掺杂后使能量损失减小并且均增强了GaSb对中红外波段光子的吸收,其中Sc掺杂效果更佳,在4.3μm(0.28 eV)处存在吸收峰,峰值为1.7×10~5 cm^-1,且直到波长为6.8μm(0.18 eV)时,光吸收系数仍能达到1×10~5 cm^-1.计算结果为拓展GaSb基半导体材料在红外探测器、红外半导体激光器等领域的应用提供理论参考.     

Mg, Sr掺杂CaF2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(DFT)的第一性原理方法对纯CaF2晶体和Mg、Sr掺杂CaF2体系的晶体结构、电学以及光学性质进行了详细的对比研究, 结果表明: 与纯CaF2晶体相比, 掺杂体系的带隙变窄且形成新的态密度峰, 费米面附近出现F与Mg、Sr原子间轨道杂化加强现象. 另外, 掺杂体系仅表现出介电性质, 其对紫外光的吸收强度大大减弱, 而Ca7SrF16掺杂体系在25.44 eV处产生新的小吸收峰. CaF2晶体掺入Mg、Sr原子后, 体系在紫外光区的消光系数减小且对紫外光的透过率增大. 此外, 掺杂体系的反射谱峰和损失函数峰均发生红移且峰值显著降低.     

Mg, Sr掺杂CaF2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(DFT)的第一性原理方法对纯CaF2晶体和Mg、Sr掺杂CaF2体系的晶体结构、电学以及光学性质进行了详细的对比研究, 结果表明: 与纯CaF2晶体相比, 掺杂体系的带隙变窄且形成新的态密度峰, 费米面附近出现F与Mg、Sr原子间轨道杂化加强现象. 另外, 掺杂体系仅表现出介电性质, 其对紫外光的吸收强度大大减弱, 而Ca7SrF16掺杂体系在25.44 eV处产生新的小吸收峰. CaF2晶体掺入Mg、Sr原子后, 体系在紫外光区的消光系数减小且对紫外光的透过率增大. 此外, 掺杂体系的反射谱峰和损失函数峰均发生红移且峰值显著降低.     

高压下BaHfO3电子结构与光学性质的第一性原理研究

从第一性原理出发,在局域密度近似下,采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势计算方法系统地研究了高压对BaHfO₃电子结构与光学性质的影响.能带结构分析表明;无压强和施加正压强作用时,BaHfO₃为直接带隙绝缘体,而施加负压强时,BaHfO₃则转变为间接带隙半导体;BaHfO₃的带隙随压强增加而减小,且具有明显的非线性关系.对光学性质的分析发现:施加正压强后,光学吸收带边产生蓝移;负压强作用时介电函数虚部尖峰减少,光学吸收带边产生红移;施加压强后BaHfO₃的静态介电常数和静态折射率均增大.上述研究表明施加高压有效调制了BaHfO₃的电子结构和光学性质,计算结果为BaHfO₃光电材料的设计与应用提供了理论依据.     

Cr掺杂以及Mo和Cr双掺Mn4Si7的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论中第一性原理的赝势平面波法,分别对本征Mn4Si7、Cr掺杂Mn4Si7以及Cr和Mo双掺Mn4Si7的电子结构及光学性质进行了计算和分析。计算结果表明本征Mn4Si7禁带宽度为Eg=0.813 eV,Cr掺杂Mn4Si7禁带宽度为Eg=0.730 eV,Cr和Mo双掺Mn4Si7禁带宽度为Eg=0.620 eV,均为间接带隙半导体、p型掺杂。此外,在低能区掺杂体系的介电函数、折射率、消光系数、吸收系数以及光电导率均强于本征Mn4Si7,表明Cr掺杂Mn4Si7以及Cr和Mo双掺Mn4Si7有运用于红外光电子器件的巨大潜力。     

稀土La掺杂CrSi_2电子结构与光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对稀土La掺杂CrSi2的几何结构,电子结构和光学性质进行了计算与分析.结果表明,La掺杂后,CrSi2的晶格常数a,b和c均增大,晶格体积增大.La掺杂导致费米面进入价带,带隙明显变窄仅为0.07eV;在费米面附近,La原子的5d层电子态密度只占总态密度很小的一部分,而总态密度仍然由Si的3p层和Cr的3d层电子的分波态密度决定;La掺杂后CrSi2的静态介电常数ε1(0)由28.98增大为91.69,ε2(ω)的两个介电峰均向低能方向偏移且增强,光学吸收边向低能方向移动,吸收峰减小.计算结果为CrSi2材料掺杂改性的实验研究提供了理论依据.     

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.     

第一性原理研究厚度和空位缺陷对Si/SiO2界面电子结构与光学性质的影响

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,在局域密度近似（ LDA）下研究了Si纳米层厚度和O空位缺陷对Si／SiO2界面电子结构及光学性质的影响．电子结构计算结果表明：在0.815～2.580nm的Si层厚度范围内, Si／SiO2界面结构的能隙随着厚度减小而逐渐增大,表现出明显的量子尺寸效应,这与实验以及其他理论计算结果一致;三种不同的O空位缺陷的存在均使得Si／SiO2界面能隙中出现了缺陷态,费米能级向高能量方向移动,且带隙有微弱增加．光学性质计算结果表明：随着Si纳米层厚度的减小, Si／SiO2界面吸收系数产生了蓝移; O空位缺陷引入后,界面光学性质的变化主要集中在低能区,即低能区的吸收系数和光电导率显著增加．可见,改变厚度和引入缺陷能够有效地调控Si／SiO2界面体系的电子和光学性质,上述研究结果为Si／SiO2界面材料的设计与应用提供了一定的理论依据．     

La掺杂3C-SiC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第一性原理计算方法,对未掺杂及稀土材料La掺杂3C-SiC的电子结构和光学性质进行理论计算.计算结果表明,La掺杂引起3C-SiC晶格体积增大,掺杂体系能量更小,掺杂体系的结构更稳定;未掺杂3C-SiC是直接带隙半导体,其禁带宽度为1.406 eV,La掺杂后带隙宽度下降为1.161 eV,La掺杂3C-SiC引入了3条杂质能级,能量较高的1条杂质能级与费米能级发生交叠,另外2条杂质能级都在费米能级以下价带顶之上,La掺杂引起3C-SiC吸收谱往低能区移动,未掺杂3C-SiC的静态介电常数为2.66,La掺杂引起静态介电常数增加为406.01,La掺杂3C-SiC是负介电半导体材料.     

Ce掺杂CrSi2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第一性原理计算方法,对未掺杂及Ce掺杂CrSi2的电子结构和光学性质进行理论计算。计算结果表明,未掺杂CrSi2是间接带隙半导体,其禁带宽度为0.392 eV,掺杂Ce元素,仍然是间接半导体,带隙宽度下降为0.031eV。未掺杂CrSi2在费米能级附近主要由Cr-5d、Si-3p态贡献。Ce掺杂后在费米能级附近主要由Cr-5d轨道,Ce-4f轨道,C-2p,Si-3p轨道贡献,掺杂后电导率提高。未掺杂CrSi2有两个介电峰,掺杂后,只有一个介电峰。未掺杂CrSi2,在能量为6.008处吸收系数达到最大值,掺杂后在能量为5.009eV处,吸收系数达到最大值。     

Fe掺杂GaN光电特性的第一性原理研究

基于密度泛函理论体系,计算了本征GaN材料和12.5%的Fe掺杂GaN体系的光电特性,分析了晶体结构、能带结构和电子态分布、介电函数、吸收系数、折射率、反射率、能量损失谱和消光系数,从理论上讨论了掺杂对体系光电特性的影响.计算所得理想GaN的禁带宽度为3.41 eV,Fe的重掺杂体系明显变窄,为3.06 eV,但仍为直接带隙半导体.本征GaN材料与Fe掺杂GaN体系的静态介电常数为5.74和6.20,折射率为2.39和2.48,能量损失最大值在20.02 eV和18.96 eV,最大吸收系数能量均在13.80 eV左右.计算结果为Fe掺杂GaN高压光电导开关材料及器件的进一步研究提供了有力的理论依据和实验支持.     

第一性原理计算研究立方氮化硼空位的电学和光学特性

对立方氮化硼的空位进行了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的研究. 通过对总能量、能带结构、态密度及电子密度分布图的分析发现, B空位相比起N空位更加稳定. 并且空位仅影响最近邻原子的电子分布, 空位浓度的增加使禁带宽度逐渐变窄. 从复介电函数和光学吸收谱分析中发现, 随着空位浓度的增加, 立方氮化硼在深紫外区的吸收逐渐减弱. 并且B空位还导致在可见光区域出现明显的吸收带. 关键词： 立方氮化硼 空位 第一性原理 电光学特性     

Ab-initio calculations of bandgap tuning of In1-xGaxY (Y = N,P) alloys for optoelectronic applications

The Ⅲ-V alloys and doping to tune the bandgap for solar cells and other optoelectronic devices has remained a hot topic of research for the last few decades. In the present article, the bandgap tuning and its influence on optical properties of In_1-xGa_xN/P, where (x = 0.0, 0.25, 0.50, 0.75, and 1.0) alloys are comprehensively analyzed by density functional theory based on full-potential linearized augmented plane wave method (FP-LAPW) and modified Becke and Johnson potentials (TB-mBJ). The direct bandgaps turn from 0.7 eV to 3.44 eV, and 1.41 eV to 2.32 eV for In_1-xGa_xN/P alloys, which increases their potentials for optoelectronic devices. The optical properties are discussed such as dielectric constants, refraction, absorption, optical conductivity, and reflection. The light is polarized in the low energy region with minimum reflection. The absorption and optical conduction are maxima in the visible region, and they are shifted into the ultraviolet region by Ga doping. Moreover, static dielectric constant ε₁(0) is in line with the bandgap from Penn's model.     

磷、铋掺杂半导体锗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计算,研究了不同浓度N型掺杂锗的电子结构和光学性质.掺杂元素分别为磷和铋,并对掺杂后的电子态密度和光学性质进行计算、分析.计算结果表明:N型掺杂会使得费米能级向导带方向移动.在低能区段,介电函数、折射率和吸收系数都受到影响,但到高能区后只有消光系数和吸收系数会被影响;反射率在整个能区都受影响,在中能区掺杂会使反射率提高,在低、高能区会减弱反射率;对损失函数的影响是掺杂浓度越高、损耗峰越小、峰值出现处能量越高.研究结果对N型掺杂半导体锗的光学应用具有一定的指导意义,可以根据上述结论有针对性地调节掺杂浓度和能量范围.