S掺杂调节SnTiO3带隙的第一性原理研究

获得窄的带隙和大的极化强度是提高铁电光伏材料性能的关键.本文采用第一性原理方法,研究了S掺杂对SnTiO3带隙和极化强度的影响.通过计算两种最可能的替换掺杂位置,确定了稳定的SnTiO3-xSx掺杂结构.研究发现,S的掺杂会引起SnTiO3沿c轴拉伸,使c/a值变大,带隙宽度变小,极化强度变大.SnTiO3-xSx在x=0.33和x=0.5时的带隙相同,此时S掺杂量的改变并没有引起带隙的变化;但S掺杂量增加到x=1时(即SnTiO2S)具有金属性.进一步的态密度分析表明,S适量掺入后与Ti和Sn成键,降低了Ti的非占据态能量,导带的Ti 3d轨道向低能级移动,从而使掺杂SnTiO2S的带隙由SnTiO3的1.87 eV降低到1.01 eV.通过Bader电荷分析SnTiO2S带隙降低的原因,结果显示,S的引入导致SnTiO2S中离子电荷的总数变小,体系整体电离度变弱,从而引起带隙变小.使用Berry相方法计算表明,随着掺杂量的增加,SnTiO3-xSx的极化强度也会增加.本工作从理论上预测S掺杂能够降低无Pb材料SnTiO3的带隙并使其保持大的极化强度,为改善SnTiO3的铁电光伏特性提供了一种有效手段.     

ZnO:Sb掺杂机理的第一性原理研究

为了研究ZnO:Sb的掺杂机理,本文运用第一性原理密度泛函理论计算了理想纤锌矿ZnO和SbO 、SbZn 、SbZn-2VZn三种Sb掺杂ZnO晶体模型的几何结构、能带结构和电子态密度.计算结果表明:sb的掺人使得晶格发生不同程度的膨胀,其中以SbZn-2VZn复合缺陷模型的膨胀最小,键长最短,说明此结构的化学稳定性最高.通过能带和态密度的分析可知,ShO和SbZn模型存在不合理性,而SbZn-2VZn复合缺陷中的VZn可以使价带产生非局域化空穴载流子.定量计算进一步确认了SbZn-2VZn构型的可填充电子数最多,合理解释了晶体导电性的提高.形成能计算表明,在富氧条件下SbZn-2VZn的形成能最低,说明在富氧条件下掺杂Sb更有利于实现ZnO的p型化.     

理论研究Stone-Wales缺陷和C掺杂对手性BN纳米带的带隙调控

通过第一性原理密度泛函理论的方法,研究了Stone-Wales 缺陷和C掺杂对手性BN纳米带的带隙调控.结果表明,Stone-Wales 缺陷使得BN纳米带的价带顶(VBM)和导带底(CBM)的占据态发生变化,从而引入了缺陷能级降低了带隙,但Stone-Wales 缺陷的个数对带隙的大小影响不明显.电子结构计算表明,带Stone-Wales 缺陷的BN纳米带的缺陷能级主要是由VBM附近形成N-N原子的类π键轨道和CBM附近形成B-B原子的类σ键分布决定.通过在带Stone-Wales 缺陷的BN纳米带中引入C掺杂改变杂质能级的分布,在VBM附近形成了C-C原子的类σ键轨道和CBM附近形成了C-B原子的类σ键,这样可以进一步降低BN纳米带的带隙,拓展了BN纳米带的应用.     

Al-N共掺杂ZnO的第一性原理研究

为了研究p型ZnO的掺杂改性,本文运用第一性原理密度泛函理论研究了未掺杂,Al、N单掺杂和Al-N共掺杂ZnO晶体的几何结构、能带结构、电子态密度.计算结果表明:未掺杂,Al、N单掺杂和Al-N共掺杂ZnO的超晶胞体积分别为0.2043 nm3、0.2034 nm3、0.2027 nm3、0.1990 nm3,带隙分别为0.72 eV、0.71 eV、0.60 eV、0.55 eV;N是比较理想的p型掺杂受主,若在禁带中再引入激活施主Al后,可填充的电子数由原来的19个增加到24个,N原子接受从价带跃迁的电子使价带产生非局域化空穴载流子,从而提高了晶体的导电性.与未掺杂,Al、N单掺杂相比,Al-N共掺杂ZnO具有更稳定的结构,更窄的带隙,更好的导电性,更有利于实现p型化.     

Pt掺杂CdS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分析了CdS和Pt掺杂CdS的几何、电子结构和光学性质,计算结果表明Pt掺杂的CdS结构引入了由Pt贡献的导电载流子,增强了CdS的电导率,另外,费米能级下移进入价带.研究表明,Pt掺杂的CdS结构在费米能级附近出现了杂质能级,这是由Pt的5d态电子所形成;在光学性质上,Pt掺杂的CdS在可见光区的吸收系数比理想CdS高,能量损失峰出现红移现象,可见,Pt掺杂的CdS晶体具有更高的光催化活性.     

铟掺杂的氧化锌纳米带的制备和发光特性

以混合的ZnO粉和金属In作为前驱物,通过化学气相沉积方法在Si衬底上合成了In掺杂的ZnO纳米带.利用场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜以及附带的能谱仪对它们的结构和成分进行了表征.结果表明,ZnO纳米带沿<1010>方向生长;In的掺杂浓度是21;原子分数.讨论了ZnO纳米带的形成机制和光致发光特性.     

Mn掺杂BaTiO3多铁性的第一性原理研究

本文基于第一性原理方法,对过渡金属元素Mn掺杂四方相BaTiO3体系进行了系统的研究.通过对掺杂前后的电子结构改变及所引起的磁学性能的分析发现,过渡金属元素Mn的掺入可以使BaTiO3产生较大的铁磁性,这一磁性主要源于Mn离子局域磁矩的贡献,且随着Mn掺杂量的增加,材料体系的磁性增强;同时发现掺杂体系在001方向存在畸变,仍然保持BaTiO3原有的自发极化,即掺杂后体系仍具备铁电性.研究结果表明,进一步优化的Mn掺杂BaTiO3有望成为一种性能优越的新型多铁性材料.     

La掺杂量对ZnO光电性能影响的第一性原理研究

采用密度泛函理论下的平面波超软赝势方法和杂化泛函理论下的模守恒赝势方法,分别计算了未掺杂ZnO和两种La掺杂浓度的ZnO模型,其中对较高La掺杂浓度的计算还设置了两种不同的掺杂位置.结构优化后,首先通过计算形成能、系统总能量和电荷布居值,对掺杂后体系的稳定性进行了分析;而后结合自旋基态能量与自旋电子态密度对掺杂体系的磁性状态进行了说明;最后通过计算得到的电子结构及吸收光谱讨论了La掺杂量对ZnO光电性能的影响.结果表明:随La掺杂量增加,ZnO体系稳定性有所降低;La掺杂ZnO无磁性,电子结构不会受到自旋能级分裂的影响;与纯ZnO相比,La掺杂ZnO的禁带宽度增大,吸收光谱蓝移,然而通过控制La浓度与掺杂方式可以有效增强La-5d与Zn-4s电子态的交换关联作用而减小ZnO的最小光学带隙,提高ZnO对可见光的吸收系数,使光生空穴-电子对有效分离的影响.     

阴离子掺杂稳定c-ZrO2的第一性原理研究

利用密度泛函(DFT)中的PW91PW91方法计算了碳和氮阴离子掺杂稳定c-ZrO2的机制.热力学计算表明碳元素和氮元素取代氧化锆晶格氧反应的吉布斯自由能均小于零,这表明两种取代反应都是可以进行的.结合阴离子掺杂稳定作用能计算和结晶学理论分析认为氮元素主要以替代晶格氧引入空位的方式稳定四方或立方氧化锆,而碳元素则是首先扩散进入氧化锆的八面体空隙,随八面体体积收缩和热处理温度的升高,转变为替代晶格氧引入空位的方式稳定四方或立方氧化锆.同时,分析认为不同氮源和初始氧化锆相成份也影响着立方或四方氧化锆的稳定作用.     

B掺杂BaTiO3的电子结构和磁性的第一性原理研究

利用基于第一性原理的自旋极化密度泛函理论计算了B掺杂BaTiO3的稳定性、电子结构和磁学性质.结果表明B掺杂BaTiO3体系稳定,并表现为铁磁性.B替位掺杂BaTiO3体系的磁性机制可归结为部分B2p电子的自旋极化和B2p/O2p与Ti3d电子的p-d耦合作用,B间隙掺杂BaTiO3体系中磁性源于未配对Ti3d电子的自旋极化.     

扶手椅型石墨烯纳米带吸附镍、铜原子链的电子结构

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了扶手椅型石墨烯纳米带吸附3d过渡金属磁性Ni和非磁性Cu单原子链的结构、电子性质和磁性.吸附体系经过弛豫后,不同宽度纳米带吸附单原子链的稳定结构是不同的.Ni比Cu原子链在石墨烯纳米带表面的吸附更为稳定.原子链吸附在纳米带的边缘洞位(即5AG-1、6AG-1和7AG-1位置)时较为稳定,且稳定程度随着纳米带宽度的增加而增加.原子链和石墨烯纳米带的相互作用使得Ni单原子链吸附体系的磁矩为零.Cu原子链吸附5AG-1的复合体系具有磁性.Ni原子链的吸附体系呈现出带隙较小的半导体性质,而Cu原子链的吸附体系全都表现出金属性质.     

单空位缺陷扶手椅型MoS2纳米带结构与电子性质研究

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法,研究了单硫空位缺陷扶手椅型二硫化钼纳米带(AMoS2NR)的结构与电子性质.结果表明,优化的AMoS2NR纳米带边缘上Mo原子较S原子向纳米带内侧收缩;引入空位缺陷后,边缘上Mo原子向纳米带内侧收缩加剧,稳定性降低;空位缺陷纳米带相比完整纳米带,带隙减小;同时,空位缺陷处原子部分态密度降低,相应的能带线分布稀疏.     

不对称石墨烯纳米带的热自旋输运性质研究

采用非平衡态格林函数方法结合密度泛函理论的第一性原理,研究了非对称结构石墨烯纳米带的热自旋输运性质.发现在源极,漏极之间施加温度场,在带宽N=4,6,8,10,12的石墨烯纳米带中可以获得方向相反、大小几乎相同的不同自旋极化取向电流,即体系中存在自旋赛贝克效应.对比不同宽度纳米带运输性质,发现带宽对自旋赛贝克效应具有调制作用,即随着带宽N增大,热激发自旋流增大,自旋赛贝克效应增强,而热激发净电流从正向变为负向.此外,当纳米带带宽为4,6,8和12时,体系中还同时存在热负微分电阻效应,这些发现对制备低能耗的热自旋电子学器件具有指导意义.     

石墨烯纳米带异质结的热自旋输运性质的研究

石墨烯纳米带及其异质结因其丰富而优异的物理性质,引起了人们的广泛关注.基于密度泛函理论结合非平衡态格林函数方法研究了不同宽度碳链N(N=6、8、10)的单氢钝化和双氢钝化的石墨烯纳米带所构成的异质结的热自旋输运特征,在N=6体系中发现了热自旋过滤效应;N=8体系中发现了自旋塞贝克效应;N=10体系中发现了自旋塞贝克效应、负微分自旋塞贝克效应以及热负微分电阻效应,为热自旋纳米电子学器件的研究提供了理论指导.     

吸附缺陷对armchair型石墨烯纳米条带输运性质的影响

本文基于第一性原理研究了单个氢原子吸附缺陷对armchair型石墨烯纳米条带电子输运性质的影响.研究发现,吸附缺陷使armchair型石墨烯纳米条带在费米面附近的导电性有所降低,但透射能隙依然存在.缺陷对透射抑制的强弱与其吸附位置有关.在完整石墨烯纳米条带的布洛赫波函数分布几率较大处引入缺陷对电子输运的阻碍作用较大.对于布洛赫波函数分布相同的情况,吸附位置越靠近石墨烯纳米条带中心,则对电子输运的阻碍作用越大.     

基于第一性原理对硅取代、掺杂锯齿形石墨烯纳米带的电子结构及输运性质的研究

本文基于第一性原理对硅取代、掺杂石墨烯纳米带不同位置的电子能带结构、态密度及电子器件的电子输运性质进行了分析与研究.结果表明,锯齿形石墨烯纳米带(ZGNRs)在硅原子取代及掺杂后由原来的半导体态转变为金属态.在各种模型中,对于体系态密度有贡献的一般为原子指数为1、在p轨道的硅原子(Si1p);原子指数为2、在p轨道的硅原子(Si2p)和碳原子(C2p);少量的原子指数为1、在s轨道的氢原子(H1s)和碳原子(C1s).经分析,在各取代位置中两端硅原子取代的锯齿形石墨烯纳米带的体系能量最小,表明其为最有可能发生的取代位置.在掺杂位置中,体系能量计算结果显示填隙硅原子的能量更低,最有可能发生此种掺杂.电子输运性质的研究中,在所有的取代位置中单边硅原子取代组成的电子器件电子输运性质最好.在所有电子器件模型中电子输运性质最好的是填隙硅原子掺杂模型.     

不同浓度Nb掺杂ZnO第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了不同浓度Nb掺杂ZnO的能带结构及性能,并对本征ZnO、Al掺杂ZnO(AZO)和Nb掺杂ZnO(NZO)的模拟结果进行对比分析。结果表明:(1)NZO和AZO的带隙值均低于本征ZnO的带隙值,掺杂浓度(原子数分数)同为6.25%的NZO的带隙值低于AZO的带隙值。随着Nb掺杂浓度增高,NZO的导带底明显降低,态密度峰值降低,且Nb-4d态电子占据了费米能级的主要量子态。(2)随着掺杂浓度的增加,NZO和AZO吸收峰和介电函数峰均降低,且向低能区移动,其中,NZO吸收峰向低能区移动更明显,且介电函数虚部分别在0.42 eV和34.29 eV出现新的峰,主要是价带中Nb-4d和Nb-5p电子能级跃迁所致。掺杂浓度同为6.25%的NZO的静介电常数大于AZO的静介电常数,表明NZO极化能力更强,NZO可以更有效改善ZnO的光电性能。随着Nb掺杂浓度增加,NZO的吸收系数和介电函数虚部强度增加且向高能区移动。NZO的模拟结果为高价态元素Nb掺杂ZnO的实验研究工作及实际应用提供了理论参考。     

S-La共掺杂ZnO性能的第一性原理研究

采用基于广义梯度近似的第一性原理方法,研究了纯ZnO、S单掺、La单掺和S-La共掺ZnO的能带结构、态密度和光学性质.S单掺ZnO后,价带和导带同时向低能量转移,导致带隙减小.La单掺ZnO后在导带底产生杂质能级使得带隙减小.S-La共掺ZnO导致La的局部化减弱,表明La形成的施主能级由于S的3 p态的影响变得更浅...     

P掺杂6H-SiC的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波法,计算未掺杂与P替换Si、C以及P间隙掺杂6H-SiC的电子结构与光学性质。结果显示未掺杂的6H-SiC是带隙为2.052 eV的间接带隙半导体,P替换Si、C掺杂以及P间隙掺杂6H-SiC带隙均减小,分别为1.787 eV、1.446 eV和0.075 eV,其中P间隙掺杂带隙减小幅度最大。P替换掺杂6H-SiC使得费米能级向导带移动并插入导带中,呈n型半导体。P间隙掺杂价带中的一条能级跨入费米能级,因此在禁带中出现一条P 3p杂质能级,P间隙掺杂6H-SiC转为p型半导体。替换与间隙掺杂使得6H-SiC的介电函数实部增大,介电函数虚部、吸收光谱、反射光谱与光电导率红移,其中P间隙掺杂效果最佳。通过P掺杂材料的电导率增强,对红外波段的利用率明显提高,为6H-SiC在红外光电性能方面的应用提供有效的理论依据。     

改性芳纶纤维接枝氧化石墨烯的研究

借助硅烷偶联剂APTS的桥联作用,将氧化石墨烯接枝到紫外辐照改性的芳纶纤维表面,制成改性芳纶纤维接枝氧化石墨烯(m-AF-GO)的杂化材料.经FTIR、XPS和SEM测试表明氧化石墨烯成功接枝到改性芳纶纤维表面,且比未改性的芳纶纤维具有更加粗糙的表面.TGA显示改性芳纶纤维表面接枝氧化石墨烯提高了芳纶纤维的热稳定性.相比于芳纶纤维/炭黑/天然橡胶(AF/CB/NR)材料,m-AF-GO/CB/NR材料表现出更优异的界面相互作用和机械性能.