GGA+U方法研究C-Al掺杂GaN的电子结构和光学性质

本文用密度泛函理论的第一性原理,研究了C单掺、Al单掺、C-Al共掺GaN体系的电子结构及光学性质.通过分析发现,与本征GaN相比,掺杂后体系都发生了晶格畸变,其中C-Al共掺GaN体系,较容易形成且禁带宽度明显减小,形成了P型半导体,显著降低了电子跃迁所需要的能量;另外,该共掺体系的静介电常数最大,极化能力最强,介电虚部的主峰向低能区域偏移,并且吸收光谱在可见光范围内产生了红移现象,这都体现了C-Al共掺可以拓展GaN体系对可见光的响应范围.因此,C-Al共掺将有望提高GaN体系的光催化性能.     

稀土元素Lu，Sc掺杂GaN光电特性的第一性原理研究

基于密度泛函理论,采用广义梯度近似（GGA+U）平面波超软赝势方法,计算了本征GaN和稀土元素Lu、Sc掺杂GaN体系的电子结构和光学性质.结果表明：计算得到本征GaN的禁带宽度为3.37 eV,与实验值（3.39 eV）接近. Lu掺杂后GaN体系带隙变窄,而Sc掺杂后诱导了深能级杂质,带隙变宽,但仍为直接带隙半导体.掺杂后体系均发生畸变,晶格常数和体积增大,且在费米能级附近产生杂质带. Lu、Sc掺杂GaN体系的静态介电常数较本征GaN（4.50）均有所增大.Lu、Sc掺杂后体系介电常数虚部整体左移,光吸收边往低能方向移动,发生了红移现象.计算结果对稀土元素Lu、Sc掺杂GaN高压光电材料的开发和研究提供了理论依据.     

Mg,O共掺杂实现p型AlN的第一性原理研究

采用密度泛函理论下的第一性原理平面波超软赝势方法研究了纤锌矿本征AlN,Mg单掺杂AlN和Mg,O共掺杂AlN体系的晶格参数、能带结构、电子态密度、差分电荷密度及电子布居数.计算结果显示:在Mg,O共掺杂AlN体系中,激活施主O原子的引入能使受主能级降低,形成浅受主掺杂.同时,体系的非局域化特征显著,受主能带变宽.因而提高了Mg原子的受主掺杂浓度和系统的稳定性.Mg,O共掺杂更有利于制备p型AlN.     

C-Mg掺杂GaN电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论第一性原理的方法,计算了GaN、C单掺、Mg单掺和C-Mg共掺体系的电子结构和光学性质,计算结果表明:掺杂后,GaN体系的晶格发生畸变,有利于光生空穴-电子对的分离,C-Mg共掺体系结构最稳定,掺杂体系的禁带宽度均减小,其中C-Mg共掺体系的禁带宽度最小,在禁带中引入了杂质能级,说明掺杂可有效降低电子跃迁所需的能量.在光学性质方面,掺杂后,GaN在低能区介电峰和吸收峰均发生红移,且静介电常数增大;其中C-Mg共掺体系的对可见光的吸收最强,极化能力最强,因此C-Mg共掺将有望提高GaN在光催化性能和极化能力.     

Mn掺杂6H-SiC的第一性原理研究

本文通过密度泛函理论第一性原理平面波超软赝势计算方法计算了Mn掺杂6H-SiC的电子结构与光学性质。计算结果显示掺杂Mn后的6H-SiC为间接带隙p型半导体,且带隙较本征体有所降低,带隙由2.022 eV降为0.602 eV,电子从价带跃迁所需能量减少。掺杂后的Mn的3d能级在能带结构中以杂质能级出现,提高了载流子浓度,导电性增强。光学性质研究中,掺杂Mn后的介电函数虚部在低能处增加,电子激发态数量增多,跃迁概率增大。掺杂后的光吸收谱能量初值也较未掺杂的3.1 eV扩展到0 eV,反射谱发生红移。由于禁带宽度的降低使得光电导率起始范围得到扩展。     

Mo掺杂4H-SiC的磁性和光学性能的第一性原理研究（英文）

基于第一性原理密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA)的平面波赝势法(PBE),计算了4H-SiC的本征体系、过渡金属元素Mo单掺杂4H-SiC体系的电子结构、磁性和光学特性.结果表明:Mo掺杂将导致4H-SiC由本征非磁性变为p型磁性半导体材料,其带隙值由2.88 e V变为0.55 e V.当Mo掺杂浓度为1.359×10~(21)cm~(-3)时,磁矩为0.98μB,这表明掺Mo后的4H-SiC材料可以作为自旋电子元器件的备选材料.此外,Mo掺杂4H-SiC体系在(100)和(001)方向的静态介电常数分别为3.780和3.969.介质函数虚部不为0的起始点发生红移,表明掺杂使电子更容易跃迁.     

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.     

Mo掺杂4H-SiC的磁性和光学性能的第一性原理研究

基于第一性原理密度泛函理论（DFT）的广义梯度近似（GGA）的平面波赝势法（PBE）,计算了4H-SiC的本征体系、过渡金属元素Mo单掺杂4H-SiC体系的电子结构、磁性和光学特性。结果表明：Mo掺杂将导致4H-SiC由本征非磁性变为p型磁性半导体材料,其带隙值由2.88 eV 变为0.55 eV。当Mo掺杂浓度为1.359×1021 cm-3时,磁矩为0.98 ,这表明掺Mo后的4H-SiC材料可以作为自旋电子元器件的备选材料。此外,Mo掺杂4H-SiC体系在（100）和（001）方向的静态介电常数分别为3.780和3.969。介质函数虚部不为0的起始点发生红移,表明掺杂使电子更容易跃迁。     

Fe,Co,Ni掺杂石墨烯表面吸附C_2H_4的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA),本文对本征石墨烯以及掺杂Fe,Co,Ni石墨烯的几何结构和电子性质进行了优化计算,并计算了C_2H_4在本征石墨烯以及掺杂石墨烯表面的吸附过程,讨论了体系的吸附能、稳定性、DOS及掺杂对键长的影响.结果表明C_2H_4在本征石墨烯B位的吸附和掺杂石墨烯的吸附为化学吸附,在本征石墨烯T和H位的吸附为物理吸附;掺杂后石墨烯的比表面积增大,与本征石墨烯相比,掺杂使费米能级附近的态密度积分显著提高,表明掺杂石墨烯的电导性会发生变化,从而影响对C_2H_4的气敏度..C_2H_4在Fe、Co、Ni分别掺石墨烯的最佳吸附位为T位、H位和B位;掺杂Fe,Ni后体系的吸附能力显著提高,且掺杂Ni时体系的吸附能力最好.     

Sc与C共掺杂MgS电子结构与光学性质的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法,对Sc、C单掺以及共掺MgS体系的稳定性、电子结构和光学性质进行了研究,结果表明:与本征MgS体系相比,掺杂后体系的结合能仍为负值,表明掺杂体系均处于稳定状态,其中Sc-C共掺MgS体系的结合能最小,说明Sc-C共掺体系最稳定.掺杂后体系的禁带宽度均减小,表明电子由价带跃迁至导带的能量减小;此外,掺杂体系在低能区均发生了明显的红移现象,表明Sc、C掺杂能够有效的拓宽体系对可见光的响应范围.其中,Sc-C-MgS体系在费米能级附近产生了杂质能级且带隙宽度较小,在可见光范围内的吸收系数最优,可推测Sc-C共掺杂可作为提高MgS体系光催化活性的有效手段.     

Sc与C掺杂MgS电子结构与光学性质的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法,对Sc、C单掺以及共掺MgS体系的稳定性、电子结构和光学性质进行了研究,结果表明：与本征MgS体系相比,掺杂后体系的结合能仍为负值,表明掺杂体系均处于稳定状态,其中Sc-C共掺MgS体系的结合能最小,说明Sc-C共掺体系最稳定。掺杂后体系的禁带宽度均减小,表明电子由价带跃迁至导带的能量减小;此外,掺杂体系在低能区均发生了明显的红移现象,表明Sc、C掺杂能够有效的拓宽体系对可见光的响应范围。其中,Sc-C-MgS体系在费米能级附近产生了杂质能级且带隙宽度较小,在可见光范围内的吸收系数最优,可推测Sc-C共掺杂可作为提高MgS体系光催化活性的有效手段。     

Si掺杂AlN的电子结构和光吸收

基于密度泛函理论第一性原理的平面波超软赝势法,研究了Si掺杂纤锌矿AlN的电子结构和光吸收性质。结果表明:杂质能级位于导带底附近,与Al 3p能级复合形成导带底,使系统发生Mott相变;Si掺杂后在2.02 eV附近出现新的吸收峰,从而改善系统在可见光区的吸收特性。     

GGA+U方法研究不同浓度Cr掺杂对TiO2的磁性和光学性质的影响

本文采用基于第一性原理的GGA+U方法,计算研究了本征态锐钛矿TiO2和不同浓度Cr掺杂锐钛矿TiO2(1/8、1/16、1/32)的电子结构、磁性及光学性质。计算结果表明：所有掺杂体系中Ti0.9375Cr0.0625O2的结合能最小,因此Ti0.9375Cr0.0625O2体系的稳定性要高于Ti0.875Cr0.125O2、Ti0.96875Cr0.03125O2体系;Cr元素的掺入导致掺杂后体系发生晶格畸变,这有利于光生空穴和电子对的分离,提高其光催化性能;同时,由于Cr-3d和O-2p电子相互作用,使得掺杂体系呈现出铁磁性质,并且随着掺杂浓度的增加会使体系具有更好的铁磁性质;掺杂体系与本征TiO2相比,掺杂后吸收带边均发生红移,光谱响应范围变大;并且随掺杂浓度的增加,光响应范围也在增大,从而有效增强了体系对于可见光的吸收能力。     

Nd、N掺杂ZnO的电子结构和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,使用GGA+U方法计算出N、Nd分别单掺ZnO及N、Nd共掺ZnO晶体的形成能,能带结构,态密度及光学性质.经过对比发现:N、Nd各掺杂ZnO中,共掺体系比单掺体系更容易形成,其中低浓度掺杂难度更低;共掺体系随着掺杂浓度的升高,其畸变的强度就越强,禁带宽度变窄,电子跃迁到导带上所需的能量更小,光吸收系数较大,并且都产生了红移,光谱响应范围扩展到了整个可见光区域;共掺体系在低能区域的介电谱峰值较高,说明其极化能力较强,光生电场强度较大,会使光激发载流子在晶体内的迁移变快,对电荷的束缚能力增强.因此N、Nd共掺可以有效提升ZnO的光催化性和极化能力.     

Cu,O共掺杂AlN晶体电子结构与光学性质研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法对纯Al N,Cu单掺杂以及Cu与O共掺杂Al N超胞进行了几何结构优化,计算了掺杂前后体系的晶格常数、能带结构、态密度与光学性质.结果表明:掺杂后晶格体积增大,系统能量下降;Cu掺入后Cu 3d电子与N 2p电子间有强烈的轨道杂化效应,Cu与O共掺后Cu和O之间的吸引作用克服了Cu原子之间的排斥作用,能够明显提高掺杂浓度和体系的稳定性.光学性质分析中,介电函数计算结果表明Cu与O共掺杂能改善Al N电子在低能区的光学跃迁特性,增强电子在可见光区的光学跃迁;复折射率计算结果显示Cu与O掺入后由于电磁波穿过不同的介质,导致折射率发生变化,体系对低频电磁波吸收增加.     

Al-N共掺杂金红石相TiO_2的第一性原理研究

本文采用了基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法对金红石相TiO_2进行了计算,其中内容包括未掺杂与单掺杂Al、单掺杂N以及共掺杂Al-N这四种不同情况下TiO_2的能带结构与态密度和光吸收系数的研究.计算结果表明:单掺杂Al和N时,均不同程度地改变了其能带结构,光吸收能力均有提高但效果不佳.在共掺杂Al-N时,TiO_2晶格常数产生了改变,并出现了新的杂质能级.由于杂质能级存在于TiO_2禁带范围内,减小了电子跃迁至导带所需能量,从而提高了其光吸收能力,其效果相对于单掺杂来说更有明显提高.     

基于密度泛函理论下O和Na掺杂单层h-BN的电子结构性质和光学效应的分析

基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了O、Na单掺杂及O和Na共掺杂单层h-BN的形成能、电子结构和光学性质.结果表明:单掺杂体系中,O掺杂N位置、Na掺杂B位置时,掺杂形成能最低;共掺杂体系中,O和Na邻位掺杂,掺杂形成能最低.与单层h-BN相比,引入杂质原子后的体系禁带宽度均减小,其中O掺杂为n型掺杂,Na掺杂为p型掺杂,而O和Na共掺h-BN体系为直接带隙材料,有利于提高载流子的迁移率.在光学性质方面,Na掺杂h-BN体系与O和Na共掺h-BN的静介电常数均增大,在低能区介电虚部和光吸收峰均发生红移,其中Na掺杂体系红移最为显著,极化能力最强.因此Na单掺和O和Na共掺有望增强单层h-BN的光催化能力,可扩展其在催化材料、光电器件等领域的应用.