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．     

掺杂Si/SiO_2界面电子结构与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方法,在局域密度近似(LDA)下研究了B掺杂Si/SiO_2界面及其在压强作用下的电子结构和光学性质.能带的计算结果表明:掺杂前后Si/SiO_2界面均属于直隙半导体材料,但掺B后界面带隙由0. 74 eV减小为0. 57 eV,说明掺B使材料的金属性增强;对B掺杂Si/SiO_2界面施加正压强,发现随着压强不断增大,Si/SiO_2界面的带隙呈现了逐渐减小的趋势,并且由直隙逐渐转变为间隙.光学性质的计算结果表明:掺B对Si/SiO_2界面在低能区(即红外区)的介电函数虚部、吸收系数、折射率以及反射率等光学参数有显著影响,且在红外区出现新的吸收峰;对B掺杂Si/SiO_2界面施加正压强,随着压强增大,红外区的吸收峰逐渐消失,而在紫外区出现了吸收峰.上述结果表明,对Si/SiO_2界面掺B及施加正压强均可调控Si/SiO_2界面的电子结构与光学性质.本文的研究为基于Si/SiO_2界面的光电器件研究与设计提供一定的理论参考.     

二维缺陷GaAs电子结构和光学性质第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了存在Ga空位缺陷和掺杂B原子的二维GaAs的能带结构、态密度和光学性质.计算结果表明空位缺陷二维GaAs显示出金属特性,B原子的引入使体系变为间接带隙半导体,禁带宽度为0.35 eV.态密度计算发现体系低能带主要由Ga的s态、p态、d态和As的s态、p态构成;高能带主要由Ga和As的s态、p态构成.掺杂B原子与存在空位缺陷的二维GaAs相比,静态介电常数相对较低,变为8.42,且易于吸收紫外光,在3.90～8.63 eV能量范围具有金属反射特性,反射率达到52%.     

相变及空位缺陷对高压下GeO_2光学性质的影响

本文采用第一性原理方法,在100 GPa的压力范围内,计算了GeO_2理想晶体和含锗、氧空位点缺陷晶体的光学性质.吸收谱数据表明,压力诱导的三个结构相变对GeO_2晶体的吸收谱均有影响:第一个相变将导致其吸收边蓝移,而第二和第三相变将使得其吸收边红移.锗和氧空位点缺陷的存在将导致GeO_2的吸收边红移,但氧空位点缺陷引起的红移更明显.尽管如此,分析发现,在100 GPa的压力范围内,压力、相变以及空位点缺陷等因素都不会导致GeO_2晶体在可见光区出现光吸收现象(是透明的).波长在532 nm处的折射率数据显示,在GeO_2的四个相区,其折射率均随压力增加而降低;而且,GeO_2的三个结构相变以及锗、氧空位点缺陷都会导致其折射率有所增大.本文预测,GeO_2有成为冲击光学窗口材料的可能.     

第一性原理研究空位点缺陷对高压下LiF的电子结构和光学性质的影响

基于密度泛函理论框架下的平面波超软赝势方法,分别计算了102GPa压力下LiF理想晶体、含Li^-1空位和F⁺¹空位点缺陷晶体时的电子结构和光学性质.结果表明: 空位点缺陷的存在使得LiF能隙中出现了缺陷态;在可见光范围内,空位点缺陷的存在不会影响LiF的高压光吸收性(吸收系数仍为零); 在紫外光波段,Li^-1空位存在时在约99—114 nm波段内出现了弱的吸收, F⁺¹空位存在时在约99—262 nm波段内出现了明显的吸收; Li^-1,F⁺¹两种空位分别存在时对LiF的反射谱和能量损失谱产生的影响都集中在紫外光区,与对光吸收产生的影响相似. 关键词： LiF 第一性原理 空位点缺陷 光学透明性     

相变及空位缺陷对SrF2在高压下光学性质的影响

本文采用第一性原理方法, 计算了SrF2的理想晶体和含锶、氟空位点缺陷晶体在100 GPa压力范围内的光学性质. 吸收谱数据表明, 压力因素引起的两个结构相变对SrF2的吸收谱均有影响: 第一个相变将导致其吸收边蓝移, 第二个相变将导致其吸收边红移. 空位点缺陷的存在将使得SrF2的吸收边红移, 其中氟空位点缺陷引起的红移行为更显著. 尽管如此, 这些红移并未使得SrF2晶体在可见光区出现光吸收的现象(是透明的). 波长在532 nm处的折射率数据指明, 在SrF2的三个结构相区, 其折射率均随压力的增加而增大, 且SrF2的高压结构相变也使得其折射率增大. 锶空位点缺陷将导致SrF2的折射率降低, 但氟空位点缺陷的存在对其基本没有影响. 分析表明, SrF2晶体有成为冲击窗口材料的可能.     

第一性原理研究BiNbO4晶体的电子结构和光学性质

此文用密度泛函理论的平面波赝势方法研究BiNbO4的电子结构和光学性质．获得了BiNbO4是一种禁带宽度为2.74 eV的直接带隙半导体, 价带顶主要是由O-2p态与Bi-6s态杂化而成,而导带底主要是由Nb-4d态构成等有益结果; 还分析得出介电函数、复折射率、能量损失等光学性质与电子态密度、能带结构存在内在的联系．     

相变及空位缺陷对CaF2在高压下光学性质的影响

本文采用第一性原理方法, 计算了CaF2的理想晶体和含钙、氟空位点缺陷晶体在100 GPa压力范围内的光吸收谱和折射率. 吸收谱数据表明, 压力因素诱导的两个结构相变对 CaF2的吸收谱均有影响: 第一个相变将导致其吸收边蓝移, 而第二个相变却引起其吸收边红移. 钙空位点缺陷会使得CaF2的吸收边微弱蓝移, 但氟空位点缺陷却导致其吸收边有显著的红移. 然而, 这些红移的行为并未使得CaF2晶体在250-1000 nm的波段范围内出现光吸收的现象（是透明的）. 532 nm处的折射率数据显示, 在 CaF2的三个结构相区（Fm3m、Pnma、P63/mmc相区）, 其折射率均随压力增大而增加; 同时, 高压结构相变以及氟空位点缺陷也使得CaF2的折射率增大, 但钙空位点缺陷却导致其折射率减小. 数据分析表明, CaF2晶体有成为冲击窗口材料的可能, 本文所获得的信息对未来的实验研究有参考价值.     

Cu2Se电子结构和光学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理的平面超赝势方法计算研究了Cu2Se的电子结构、态密度和光 学性质。能带结构分析表明Cu2Se为半金属、上价带主要由Se的4p电子构成下价带主要由Cu的3d电子构成静态介电常数为1.41折射率为7.74吸收系数在可见光范围内最小值为1×105cm−1且在高能区对光子的吸收减小为零其电子能量损失峰在26.84eV正好对应反射系数急剧下降的位置光电导率的波谷出现的能量范围与前面的吸收系数和消光系数的峰值和波谷出现的位置完全对应。     

Cu2Se电子结构和光学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理的平面超赝势方法计算研究了Cu2Se的电子结构、态密度和光 学性质。能带结构分析表明Cu2Se为半金属、上价带主要由Se的4p电子构成下价带主要由Cu的3d电子构成静态介电常数为1.41折射率为7.74吸收系数在可见光范围内最小值为1×105cm−1且在高能区对光子的吸收减小为零其电子能量损失峰在26.84eV正好对应反射系数急剧下降的位置光电导率的波谷出现的能量范围与前面的吸收系数和消光系数的峰值和波谷出现的位置完全对应。     

第一性原理研究[112]硅锗异质结纳米线的电子结构与光学性质

基于密度泛函理论体系下的广义梯度近似,本文利用第一性原理方法着重研究了[112]晶向硅锗异质结纳米线的电子结构与光学性质.能带结构计算表明:随着锗原子数的增加,[112]晶向硅锗纳米线的带隙逐渐减小;对Si_(36)Ge_(24)H_(32)纳米线施加单轴应变,其能量带隙随拉应变的增加而单调减小.光学性质计算则表明:随着锗原子数的增加,[112]硅锗纳米线介电函数的峰位和吸收谱的吸收边均向低能量区移动;而随着拉应变的增大,吸收系数峰值呈现出逐渐减小的趋势,且峰位不断向低能量区移动,上述结果说明锗原子数的增加与施加拉应变均导致[112]硅锗纳米线的吸收谱产生红移.本文的研究为硅锗异质结纳米线光电器件研究与设计提供一定的理论参考.     

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0.021eV,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.     

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。     

BaHfO3纳米薄膜电子结构、光学和弹性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方法,在局域密度近似（LDA）下研究了厚度为0.626～2.711nm (100)面BaHfO3薄膜的电子结构、光学和弹性性质．电子结构和光学性质计算结果表明：以BaO为表面层原子的BaHfO3纳米薄膜均为直接带隙半导体材料,带隙随薄膜厚度减小而逐渐减小,表现出明显的量子尺寸效应,此时薄膜的光学吸收边发生红移,吸收带出现窄化现象．以HfO2作为表面层原子的BaHfO3薄膜则属于间接带隙半导体材料,且带隙随薄膜厚度减小而微弱增加．弹性性质计算结果表明：体弹模量、剪切模量和杨氏模量等表征材料硬度的力学参数均随BaHfO3纳米薄膜厚度减小而显著减小,呈现尺寸效应．电荷密度分布分析揭示了薄膜厚度改变了BaHfO3纳米薄膜的价健特性,这是材料硬度改变的内在原因．该研究结果为BaHfO3纳米薄膜材料的设计与应用提供了理论依据．     

Sb、Sm共掺杂SnO2的电子结构与光学性质第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,构建了Sm、Sb及Sm和Sb共掺杂SnO₂超晶胞模型,研究了经过几何优化后的各掺杂体系的焓变值、能带结构、态密度、电荷布居、介电常数、吸收系数、反射率等光电性质.结果表明：Sm和Sb的掺杂可以有效地提升SnO₂的导电性能,且Sb和Sm共掺杂体系的电学性能最佳. Sm和Sb掺杂还可以增加SnO₂在红外波段的电子极化能力和电子跃迁概率,提升了红外反射率,且共掺杂体系的电子束缚能力最强、反射率最高.这为SnO₂基光电材料的研制提供了一定的理论依据.     

First-principles study on the electronic structure and optical properties of CrSi<Subscript>2</Subscript>

Using the first principle methods based on the plane-wave pseudo-potential theory, band structure, density of states and optical properties of CrSi₂ were studied. The calculation of band structure shows that CrSi₂ is an indirect semiconductor whose band gap is 0.353 eV. Density of states is mainly composed of 3d electron of Cr and 3p electron of Si. Dielectric function, refractive index, reflectivity, and absorption coefficient of CrSi₂ are also calculated. The calculation results of optical properties are in agreement with the experiments. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 60566001), the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (Grant No. 20050657003), the Scientific Research Foundation for the Returned Overseas Chinese Scholars, Ministry of Education of China (Grant No. (2005)383), the Program for Excellent Young Talents of Guizhou Province (No. 20050528), the Specialized Nomarch Research Fund for the Excellent Science and Technology and Education Talent’s Projects of Guizhou Province, the Scientific and Technological Projects for the Returned Overseas Chinese Scholars, Guizhou Province (Grant No. (2004)03), and the Top Talent’s Scientific Research Project of Organization Department of Guizhou Province.     

First-principles calculations of the hole-induced depassivation of SiO2/Si interface defects

The holes induced by ionizing radiation or carrier injection can depassivate saturated interface defects. The depassivation of these defects suggests that the deep levels associated with the defects are reactivated, affecting the performance of devices. This work simulates the depassivation reactions between holes and passivated amorphous-SiO₂/Si interface defects (HP_b+h→ P_b+H⁺). The climbing image nudged elastic band method is used to calculate the reaction curves and the barriers. In addition, the atomic charges of the initial and final structures are analyzed by the Bader charge method. It is shown that more than one hole is trapped by the defects, which is implied by the reduction in the total number of valence electrons on the active atoms. The results indicate that the depassivation of the defects by the holes actually occurs in three steps. In the first step, a hole is captured by the passivated defect, resulting in the stretching of the Si-H bond. In the second step, the defect captures one more hole, which may contribute to the breaking of the Si-H bond. The H atom is released as a proton and the Si atom is three-coordinated and positively charged. In the third step, an electron is captured by the Si atom, and the Si atom becomes neutral. In this step, a P_b-type defect is reactivated.     

Ba0.5Sr0.5TiO3电子结构和光学性质的第一性原理研究

利用第一性原理研究了Ba_0.5Sr_0.5TiO₃的能带结构和光学性质.结果表明,导带和价带都来源于钛原子3d轨道和氧原子2p轨道的杂化.导带主要由钛原子的3d轨道贡献,价带主要由氧原子的2p轨道贡献.吸收系数为10⁵ cm^-1量级,且吸收主要集中在低能区.折射率为n（0）=2.1,结果与实验符合. 关键词： 第一性原理 能带结构 光学性质