固体物理教学中电子态密度的计算

电子态密度是指单位能量范围内的状态数,是与电子能带结构密切相关的一个物理量.为了计算电子的比热和晶体的输运性质,必须用较精确的方法计算出晶体的电子态密度.大多数教材中对该部分的处理通常采用简化模型,并不能反映一般情况下态密度的计算思路.本文从电子态密度的公式出发,详细说明了二维石墨烯和三维面心立方晶格态密度的计算步骤,并且对其中细节给出了基于数值计算的详细解释.     

加压下ZnO结构相变和电子结构的第一性原理计算

基于密度泛函(DFT)理论的第一性原理,计算半导体ZnO纤锌矿结构和岩盐矿结构状态方程及其在高压下的相变,分析加压下体相ZnO的晶格常数、电子态密度和带隙随压力的变化关系,并将计算结果与文献中的理论和实验数据进行比较.验证在计算金属氧化物时,应用局域密度(LDA)近似计算出的相变压力普遍偏高,采用广义梯度(GGA)近似得到的结果与实验符合较好.     

硼烯纳米带能带结构和态密度的第一性原理研究

基于密度泛函理论,采用第一性原理的方法计算H修饰边缘不同宽度硼稀纳米带的电荷密度、电子能带结构、总态密度和分波态密度。结果表明,硼烯纳米带的宽度大小影响着材料的导电性能,宽度5的硼烯纳米带是间接带隙简并半导体,带隙值为0.674 eV,而宽度7的硼烯纳米带却具有金属材料的性质。分波态密度表明,宽度5的硼烯纳米带的费米能级附近主要是由B-2s、2p电子态贡献,H-1s主要贡献于下价带且具有局域性,消除了材料边缘的不稳定性。宽度7的B-2p和H-1s电子态贡献的导带和价带处于主导地位,费米能级附近B-2p和H-1s电子态的杂化效应影响材料的整体发光性能。     

ZnO材料电子结构的第一性原理计算研究*

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法,研究了ZnO的纤锌矿结构、类石墨结构、闪锌矿结构和氯化钠结构的电子结构。结果表明：ZnO的纤锌矿结构是这四种结构中最稳定的结构;ZnO是一个离子性较强而共价键较弱的混合键金属氧化物半导体材料;ZnO的氯化钠结构是典型的间接带隙能带结构,其余均是直接带隙半导体能带结构。     

第一性原理研究应变Si/(111Si1-xGex能带结构

基于密度泛函理论框架的第一性原理平面波赝势方法对双轴应变Si/(111)Sil1-xGex(x=0.1-0.4)的能带结构进行了研究,结果表明:导带带边六度简并没有消除;应变部分消除了价带带边的简并度;导带带边能量极值k矢位置和极值附近可由电于有效质量描述的能带形状在应变条件下几乎小变;价带极大值附近可由空穴有效质量描述的能带形状随着x有规律地变化.此外,给出的禁带宽度与x的拟合关系同KP理论计算的结果一致,该量化数据对器件研究设计可提供有价值的参考.     

Slater绝缘体的磁性和能带计算研究

Slater相变是一种由于反铁磁序形成而导致的金属—绝缘体相变.本文采用第一性原理密度泛函计算方法研究了两种Slater绝缘体材料NaOsO_3和Cd_2Os_2O_7的电子结构,进而研究了反铁磁序排列、自旋轨道耦合和电子关联对其电子结构以及相变性质的影响.研究结果表明,非磁相的NaOsO_3具有金属性;而G型线性反铁磁结构是驱动NaOsO_3发生Slater相变的磁基态.此外,研究结果表明,非磁相的焦绿石Cd_2Os_2O_7的能带结构在费米能级处是连续的,表现为金属性;并且带有磁阻挫的Cd_2Os_2O_7发生Slater相变的条件十分苛刻,只有在自旋轨道耦合和1.8 eV电子关联的共同作用下一种全进—全出非线性反铁磁结构才能使其发生Slater相变.说明全进—全出非线性反铁磁结构是使Cd_2Os_2O_7发生Slater相变的磁基态,而自旋轨道耦合和1.8 eV的电子关联在消除磁阻挫上起到了关键作用.     

一类一维势场中电子态的研究

研究了在一维势场Ｖ_n＝λｃｏｓ（Ｑn＋ａｎ^ｖ）（０＜ｖ＜１）中运动的电子状态，计算了本征能量和本征态的局域化指数。对Ｑ＝２π／３，系统的能带由三个子能带构成。当λ小于２时，每个子带中有两个迁移率边界。研究了扩展态、局域态以及迁移率边界随参数λ，ν，α的变化。 关键词：     

BaZrO3和CaZrO3能带和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论基础上的CASTEP软件包,计算了BaZrO3和CaZrO3的能带以及光学性质.计算得到BaZrO3直接带隙和间接带隙分别为3.49 eV和3.23eV,CaZrO3直接带隙和间接带隙分别为3.73 eV和3.38 eV.对这两种材料的介电函数、吸收系数、反射系数、折射系数、湮灭系数和能量损失系数等光学系数进行了计算,并基于电子能带对光学性质进行了解释.得出,光学特性的异同是由于其内部微观结构上的异同所引起的.     

第一性原理研究应变Si/(111)Si1-xGex能带结构

基于密度泛函理论框架的第一性原理平面波赝势方法对双轴应变Si/(111) Si_1-xGe_x(x=0.1—0.4)的能带结构进行了研究,结果表明：导带带边六度简并没有消除;应变部分消除了价带带边的简并度;导带带边能量极值k矢位置和极值附近可由电子有效质量描述的能带形状在应变条件下几乎不变;价带极大值附近可由空穴有效质量描述的能带形状随着x有规律地变化. 此外,给出的禁带宽度与x的拟 关键词： 应变硅 能带结构 第一性原理     

Ge64-xCx合金的能带结构和光学性质的第一性原理计算

基于第一性原理密度泛函理论(DFT),广义梯度近似下的GGA+U方法,计算了Ge_64-xC_x(x=0～3)合金体系的能带结构和光学性质.计算结果显示,纯Ge的带隙宽度数值与实验值相符,为0.732 eV.在本文所研究的C浓度范围内Ge_64-xC_x(x=1～3)均转变成直接带隙,带隙随C原子的增加逐渐减小.光学性质的计算结果表明,C原子引入对所有的光学性质均产生影响,随着C浓度的增加Ge_64-xC_x合金的静态介电常数增大,在近红外区的吸收系数增大,且吸收光谱红移,对于Ge₆₁C₃吸收边延伸至中红外区.C原子掺杂使体系对光的利用率增强,Ge_64-xC_x合金的载流子寿命和光催化能力也随C浓度的变化而变化.Ge_64-xC_x合金有希望成为在近红外、中红外区域的光学材料.     

First-principles study of single intrinsic vacancy formation and its effect on the electronic density states and magnetic moment of V-doped ZnO

We calculated the formation energy of single vacancy in V-doped ZnO in different conditions (oxygen or zinc rich) by first principles. Effect of an intrinsic vacancy on the electronic density of states and magnetic moment of V-doped ZnO (Zn₁₅VO₁₆) with and without single vacancy was also calculated. Our calculation was performed by the CASTEP program within spin-polarized GGA approximation implemented in materials studio software. The formation energy showed that oxygen vacancy inclined to stay far from vanadium (V) and zinc vacancy preferred to stay at a position near V. The calculated formation energy also showed that a zinc vacancy may automatically occur but an oxygen vacancy may not appear automatically. Vanadium doping introduced spin-polarization around Fermi level. For an energy favorable vacancy, an oxygen vacancy had little effect on the electronic density of states. A zinc vacancy made the spin-polarization peaks around Fermi level broaden and decreased their magnitude. For the magnetic moment in energy favorable configurations, an oxygen vacancy had little effect on the magnetic moment; a zinc vacancy significantly decreased the magnetic moment (as high as 63.7%). Changes in magnetic moments were consistent with electronic density of states. Our calculation may interpret various experimental magnetic moment values. Our work also provided a reference for preparing V-doped ZnO-based dilute magnetic semiconductors.     

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.     

BCC结构TiCrTaV合金的电子结构及力学性能的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算TiCrTaV多组元合金中两种BCC结构的结构稳定性、力学性能、德拜温度、电子结构和布居分析. 生成焓和内聚能结果表明BCC1的结构稳定性更好,更容易形成. 弹性常数和模量表明BCC1的强度和韧性更强,BCC2的抗剪切能力和刚度更好,两种结构均具有弹性各向异性. 德拜温度和Grüneisen参数结果表明BCC2的键合强度和热稳定性更好. 电子结构和布居分析表明两种结构均包含共价键和金属键. Ta原子形成的共价键强度更大,金属键仅存在于Ti、Cr和V原子之间. 元素成键后Ti和V原子失去电子,Cr和Ta原子得到电子.     

M- (Sm, Pr, Ga) 掺杂TiO2带隙及电子结构的第一原理研究

采用密度泛函理论对M-（Sm、Pr、Ga）掺杂锐钛矿型TiO2能带和电子性质进行了系统的理论研究. 计算结果表明,通过Sm和Pr的掺杂可以降低TiO2的带隙进而使其产生吸收边红移,通过Ga的掺杂能使带隙稍增加. 这主要是由于Sm和Pr的掺杂使Sm和Pr上的4f层电子与原子相邻O原子上的2p层电子相互作用,形成的杂质能级影响了Ti-O的能带结构,从而降低带隙,提高TiO2的可见光吸收性能.     

Ba0.5Ca0.5ZrO3电子结构和光学性质的第一性原理研究

从第一性原理出发,利用密度泛函理论体系下的广义梯度近似,研究了Ba0.5Ca0.5ZrO3的电子结构和光学性质.计算得到该晶体的晶格常数为4.1823 A,且此材料是一种间隙的半导体材料,价带和导带都来源于Ba原子、Ca原子、Zr原子的d态和O原子的p态电子间的杂化.吸收系数为105 cm-1量级,且吸收主要集中在低能区.静态折射率为1.79,能量损失峰出现在10.8 eV处.该研究结果为Ba0.5Ca0.5ZrO3光电材料的设计和应用提供了理论依据.     

Investigation on the structural,electronic, elastic and mechanical properties of Ti2Al(C1-xOx) solid solutions: First-principles calculations

In the present work, the structural, electronic, elastic and mechanical properties of Ti₂AlC and Ti₂Al(C_1-xO_x) solid solutions were investigated using first-principles calculations for varied O content incorporation (x = 0, 0.125, 0.25, 0.375, 0.5). According to the calculation results, all Ti₂Al(C_1-xO_x) solid solutions with various x values are stable, and the bonding strength of the Ti–Al bond increases with the doping of O element. In addition, the shear modulus G and C₄₄ elastic constant of Ti₂Al(C_1-xO_x) solid solutions are both lower than the bulk modulus B, indicating that the phase has good damage tolerance. Not only that, compared with Ti₂AlC, the plasticity and toughness of Ti₂Al(C_1-xO_x) solid solutions are improved with the increase of O atom doping and doping ratio. Simultaneously, the doping of O atom is also beneficial to reduce the generalized stacking fault energy of Ti₂AlC, making the Ti₂Al(C_1-xO_x) solid solutions more prone to shear deformation, thereby further enhancing plasticity.     

Theoretically exploring the possible configurations,the electronic and transport properties of MoS2-OH bilayer

Inspired by MoS₂-OH bilayer framework (Zhu et al. 2019 [19]), first principles calculations are applied to explore its possible configurations as well as their electronic and transport properties. The calculated results indicate O-MoS₂ and OH…O-MoS₂ are two primary configuration in MoS₂-OH bilayer. It shows negligible difference in electronic structure between O-MoS₂ and pure MoS₂, but a flat band arise at the Fermi level in OH…O-MoS₂. Their contact characteristics show larger binding energy with selected metals and smaller contact barrier with Pt electrode. Besides, the currents of both O-MoS₂ and OH…O-MoS₂ are enlarged compared with that of pure MoS₂ in finite bias, indicating MoS₂-OH bilayer may be potential candidate for future electron device applications.     

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．     

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.     

Exciton transfer between localized states in ZnO quantum well structures

The dynamics of photocreated excitons in a CdZnO/MgZnO quantum well (QW) was studied by comparing the experimental photoluminescence (PL) data with the results of Monte Carlo simulations of the exciton hopping. The temperature-dependent PL linewidth was found to be in reasonable agreement with the model of exciton hopping, with an additional inhomogeneous broadening (Γ) accounted for. The simulation analysis revealed fluctuations of the band potential to be 20 meV with an additional inhomogeneous broadening of , and a crossover from a non-thermalized to thermalized exciton energy distribution at about 100 K. In addition, a Bose–Einstein distribution like temperature dependence of the exciton energy in the wells was extracted using the data on the PL peak position.