单粒子在金刚石(001)表面吸附与迁移的第一性原理计算

为了探究纳米金刚石复合薄膜中界面相粒子的微观行为,采用第一性原理方法计算了碳、硅单粒子在清洁金刚石(001)表面的吸附作用与迁移行为.包括C、Si粒子在金刚石(001)面四个高对称位置的构型总能和吸附能以及其在金刚石(001)表面的迁移激活能.结果表明:最稳定的构型是沿(001)生长方向沉积粒子与表面层两粒子相接,且C、Si粒子迁移激活能分别为2.824 eV、0.475 eV.两激活能的差异表明:添加Si能显著促进碳粒子的扩散并形成更加致密的纳米金刚石复合薄膜.     

应变对Mo2C(001)表面电子结构及光学性质的影响

采用第一性原理方法研究应变对Mo₂C(001)表面电子结构及光学性质的影响。研究表明,在应变作用下Mo₂C(001)表面均为间接带隙半导体,带隙随着压应变和拉应变的增加而减小。当应变为-20%时,Mo₂C(001)表面由间接带隙半导体转变为金属性质。当应变为-20%、-15%、-10%、-5%、0%、5%、10%、15%、20%时,其带隙分别为0 eV、0.162 eV、0.376 eV、0.574 eV、0.696 eV、0.708 eV、0.604 eV、0.437 eV、0.309 eV。带隙变化的原因主要是Mo 4p、4d、5s态电子和C 3p态电子对应变敏感,在应变作用下受激发,活性增强导致价带顶在布里渊区G、A、L、M点之间变化,导带底在K、H点之间变化;当应变由-15%逐渐变化到20%时,吸收谱的第一峰逐渐减弱,并且第一峰对应的光电子能量减小,吸收带边向低能方向移动,表明光吸收随着压应变增大而增加,吸收带边随着拉应变增加向低能方向移动。其他光学性质表现出类似的变化规律,光学性质计算结果表明应变能够有效调节光吸收特性,增强光学利用率,研究结果为Mo₂C(001)作为新型光电子材料的应用提供理论支撑。     

Mn掺杂InP(111)-In极化面电子结构与磁性的第一性原理研究

本文利用密度泛函的广义梯度近似研究了Mn掺杂InP(111)-In极化面的电子结构与磁学性质.研究结果表明,随着Mn原子的掺杂位置靠近In极化面,Mn原子掺杂的形成能逐渐降低.并且所有Mn掺杂表面模型均表现出稀磁半导体特征.其原因主要在于费米能级附近的Mn-3d自旋态密度具有不对称性.通过对Mn不同掺杂位置的电子态密度、费米能级及Mn原子氧化态的对比分析发现,Mn原子的表面掺杂引起了In极化面的表面原子重构.通过对形成能与净磁矩的分析发现,所有掺杂在表面层的Mn原子的氧化态都是Mn2+.另外,随着Mn原子掺杂位置上移,费米能级向低能级方向移动,表面体系表现出明显的的P型半导体特征.     

Cu-Co合金纳米线稳定性和电子特性的第一性原理研究

基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算,系统地研究了轴向应力作用下均匀交替结构和非均匀二聚体结构Cu-Co合金单原子链的结构稳定性、磁性和电子结构。Cu-Co合金原子链内聚能在较大原子间距范围内均小于相应纯Cu原子链的内聚能,因此合金原子链的稳定性较高。非均匀Cu-Co合金原子链中易于形成Co₂二聚体,使得合金原子链轴向电荷密度和原子间距出现非均匀分布,从而导致轴向应力拉伸作用下原子链在Cu-Cu键处过早断裂。而轴向应力作用下的均匀交替结构Cu-Co合金原子链在较大的原子间距范围内能够稳定存在。电子结构的分析表明Cu原子和Co原子间的轨道杂化导致了Cu-Co合金原子链的高稳定性。     

六方Fe2Ge合金块体及其(001)表面电子结构和磁性的第一性原理

采用基于密度泛函理论第一性原理的赝势平面波方法,计算了块体Fe₂Ge及其(001)表面的电子结构和磁性。考虑了两种类型的终端(001)表面:Ge(Ⅰ)-(001)表面和Ge(Ⅱ)-(001)表面。电子结构方面,不同类型的Fe₂Ge(001)表面都表现出金属特性,这与块体的金属性保持一致。通过计算它们的自旋极化率,得出Ge(Ⅰ)-(001)表面的自旋极化程度最高。磁性方面,在块体和Ge(Ⅱ)-(001)表面的Ge原子是铁磁自旋有序的,而在Ge(Ⅰ)-(001)表面第一层的Ge原子是亚铁磁自旋有序的。此外,Ge(Ⅱ)-(001)表面Ge原子的自旋磁矩优于块体中和Ge(Ⅰ)-(001)表面Ge原子的自旋磁矩。这些结果与Fe的d态和Ge的p态电子的杂化有关,本文中通过分析它们的态密度进行了讨论。     

WO3（001）极性表面及氢吸附特性的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对WO3 (001)的极性表面及其氢吸附特性进行了理论计算.通过对比WO表面和纯氧表面的表面化学势研究了两个极性表面的热力学稳定性,并分别计算了表面的几何结构和电子结构.结果表明:在贫氧环境中WO表面比较稳定,而在富氧环境中纯氧表面更稳定,WO表面和纯氧表面分别呈现n型半导体和p型半导体特性,表面原子通过调整W-O键长和键角实现表面弛豫.氢原子在两个极性表面不同吸附位置的计算表明:对WO表面和纯氧表面,W5c位和O1c位分别是稳定的吸附位置,且两者具有不同的反应特性.     

Cu、Zn掺杂对AlSb电子结构和光学性质的影响

运用密度泛函平面波赝势方法和广义梯度近似,对替代式掺杂Cu和Zn的闪锌矿AlSb的超晶胞晶体结构、电子结构和光学性质进行了计算.分析了其电子态分布和结构的关系,给出了掺杂前后AlSb体系的复介电常数和复折射函数.结果表明,掺有Cu和Zn的AlSb晶体空穴密度增大,会明显提高材料的电导率;两种掺杂体系光学带隙均变窄;通过分析掺杂前后AlSb晶体的复介电常数和复折射函数,解释了体系的发光机制.     

BiOCl(110)表面电子结构和光学吸收的第一性原理研究

基于密度泛函理论第一性原理研究了BiOCl(110)表面两种不同终止端(ll0)-BiCl和(110)-O电子结构和光吸收性质.结果表明:(110)-BiCl和(110)-O表面均未发生重构现象;(ll0)-BiCl表面导带底部出现明显表面态,导致该表面带隙降低,且价带与导带均朝低能方向移动;而(110)-O表面态位于价带顶,导带能带变窄导致该表面带隙略大于体相BiOCl;(ll0)-BiCl和(110)-O表面能分别为1.570 J· m-2和1.550 J· m-2;光吸收性质对比分析知,与BiOCl体相相比,(ll0)-BiCl表面吸收光谱发生明显红移.     

Er掺杂金刚石缺陷的第一性原理研究

本文以第一性原理计算为基础,研究了Er掺杂后金刚石的电子结构、能级跃迁及N、B原子共掺杂对金刚石Er相关缺陷的影响。首先对Er掺杂后金刚石的形成能与结合能进行计算,结果表明掺杂后的稳定结构为Er原子周围存在1个空位的结构,稳定价态为+3价。然后预测零点跃迁能(ZPL)是0.807 eV,对应激发的光子波长为1 536.289 nm。最后对N、B原子共掺杂计算,结果表明N、B原子的掺入可以使形成能降低,增加结构稳定性。Er掺杂金刚石使其在近红外光谱发光,为Er金刚石色心的应用提供了理论依据。     

SiH4在Si(001)-(2×1)表面吸附的第一性原理研究

用第一性原理密度泛函理论研究SiH4在Si(001)-(2×1)表面的分裂吸附及吸附后的结构、能量和成键特性,计算了反应物、过渡态及生成物三个状态的能量,吸附能和反应能.计算结果表明:SiH4在Si(001)-(2×1)重构表面吸附的可能反应路径是由于SiH4中Si-H键的拉长和二聚体键的断裂导致的,形成产物Si(001)-(2×1)(SiH3:H);由SiH4分裂的能量势垒0.78 eV说明所推测的反应路径是合理的.     

CdTe(110)表面原子与电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了CdTe(110)表面的原子和电子性质.结果表明,CdTe(110)理想表面在禁带中出现两个明显的表面态,弛豫后表层Cd原子和Te原子p态电子发生转移,Cd原子趋向于sp2平面杂化构型,Te原子趋向p3杂化的锥形构型.经过表面弛豫大大降低了表面能,增大了表面功函数,表面占据态和表面空态分别被推进价带顶之下和导带底之上,导致弛豫表面没有明显的表面态.     

纳米金刚石薄膜的掺杂、表/界面调控及性能研究

本文综述了近年来国内外研究者在纳米金刚石薄膜的掺杂、导电性能、场发射性能和电化学性能等方面的工作,涉及化学气相沉积法制备n型纳米金刚石薄膜,离子注入掺杂纳米金刚石晶粒提高薄膜的n型导电性能,金属离子注入制备场发射性能良好的纳米金刚石薄膜,低剂量离子注入和晶粒表面氧终止态获得高迁移率n型电导,纳米金刚石/石墨烯复合结构的调控对其电学及电化学性能的影响,以及硼掺杂金刚石薄膜电极的微结构和电化学性能研究等。综合分析发现,晶粒掺杂和表界面协同调控可以提升薄膜的电学性能、场发射性能及电化学性能,为纳米金刚石薄膜在纳米电子器件、电化学电极等领域的应用提供了理论基础。     

直流电弧等离子喷射CVD中控制生长(111)晶面占优的金刚石膜

运用光发射谱(OES)技术对大功率直流电弧等离子喷射CVD金刚石膜的气相沉积环境进行了原位诊断,研究了气相环境中主要含碳基团的浓度及分布与沉积参数的关系,发现了C2基元比其他基元对沉积参数更加敏感.利用光发射谱对C2基元发射强度的监测,实时调控沉积各参数,在大功率直流电弧等离子喷射CVD中实现了(111)晶面占优的金刚石膜的可控生长,I(111)/I(220)XRD衍射峰强度的比值达48.     

B对人造金刚石表面结构及性能的影响

研究了B对人造金刚石表面结构及性能的影响。结果表明,采用渗B石墨或渗B触媒合成的金刚石,表面存在有螺旋状和阶梯状生长台阶,树枝状和河流状结晶等。但对金刚石性能影响不大。含B金刚石的性能明显优于不含B金刚石。且渗B石墨对金刚石性能的影响比渗B触媒大。     

以磷化铁为添加剂沿(111)面生长磷掺杂金刚石大单晶

掺杂是调控金刚石性能的一种重要手段。本文采用温度梯度法,在5.6 GPa、1 312 ℃的条件下,选用Fe₃P作为磷源进行磷掺杂金刚石大单晶的合成。金刚石样品的显微光学照片表明,随着Fe₃P添加比例的增加,金刚石晶体的颜色逐渐变深,包裹体数量逐渐增加,晶形由板状转变为塔状直至骸晶。金刚石晶形的变化表明Fe₃P的添加使生长金刚石的V形区向右偏移,这是Fe₃P改变触媒特性的缘故。红外光谱分析表明,Fe₃P的添加使金刚石晶体中氮含量上升,这说明磷的进入诱使氮原子更容易进入金刚石晶格中。激光拉曼光谱测试表明,随着Fe₃P添加比例的增加,所合成的掺磷金刚石的拉曼峰位变化不大,其半峰全宽(FWHM)值变大,这说明磷的进入使得金刚石晶格畸变增加。XPS测试结果显示,随着Fe₃P添加比例的增加,金刚石晶体中磷相对碳的原子百分含量也会增加,这意味着添加Fe₃P所合成的金刚石晶体中有磷存在。     

(La,Y)掺杂AlN的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平面波超软赝势方法对纯AlN、(La,Y)单掺杂以及La-Y共掺杂AlN 超胞进行几何结构优化,计算了稀土元素(La,Y)掺杂前后体系的能带结构、态密度和光学性质。结果表明:未掺杂的AlN是直接带隙半导体,带隙值为E_g=4.237 eV,在费米能级附近,态密度主要由Al-3p、N-2s电子轨道贡献电子,光吸收概率大,能量损失较大;掺杂后使得能带结构性质改变,带隙值降低,能带曲线变密集,总态密度整体下移;在光学性质中,稀土元素掺杂后均提高了静态介电常数、光吸收性能,增强了折射率和反射率,减小了电子吸收光子概率及能量损失;其中La-Y共掺体系变化得较为明显。     

直流等离子体喷射CVD技术制备自支撑金刚石膜的新结构和新形貌

采用30kW高功率直流等离子体喷射CVD技术制备了自支撑金刚石膜的新型结构,通过使甲烷与氢气的浓度比随沉积时间变化的方法,制备了两层、三层和四层结构.扫描电镜结果显示所制备的层结构是由柱状晶和非常细晶粒组成的,而拉曼谱结果表明这层细晶粒具有纳米金刚石的激光散射特征.在甲烷与氢气的浓度比超过15;的沉积条件下,我们发现一种新形貌,这种形貌是由具有非常好的刻面的晶粒构成的.