卤化硅烯结构、电子和光学性质的第一性原理研究

二维硅烯的商业用途通常受到其零带隙的抑制,限制了其在纳米电子和光电器件中的应用.利用基于密度泛函理论的第一性原理计算,单层硅烯的带隙通过卤原子的化学官能化被成功打开了,并综合分析了卤化对单层硅烯的结构,电子和光学性质的影响.研究结果表明卤化使结构变得扭曲,但保持了良好的稳定性.通过HSE06泛函,全功能化赋予硅烯1.390至2.123 eV的直接带隙.键合机理分析表明,卤原子与主体硅原子之间的键合主要是离子键.最后,光学性质计算表明,I-Si-I单层在光子频率为10.9 eV时达到最大光吸收,吸收值为122000 cm^-1,使其成为设计新型纳米电子和光电器件的有希望的候选材料.     

铁原子吸附联苯烯单层电子结构的第一性原理

联苯烯单层由碳原子的四元、六元和八元环组成,具有与石墨烯相似的单原子层结构.2021年5月,Science首次报道了该材料的实验合成,引起了科研工作者的极大关注.基于第一性原理的密度泛函方法,研究了铁原子在联苯烯单层的吸附构型并分析了其电子结构.结构优化、吸附能和分子动力学的计算表明,联苯烯单层的四元环空位是铁原子最稳定的吸附位点,吸附能可达1.56 eV.电子态密度计算表明铁3d电子与碳的2p电子有较强的轨道杂化,同时电荷转移计算显示铁原子向近邻碳原子转移的电荷约为0.73个电子,说明联苯烯单层与吸附的铁原子之间形成了稳定的化学键.另外,铁原子吸附于联苯烯单层后体系显磁性,铁原子上局域磁矩大小约为1.81μB,方向指向面外.因此,本文确认了联苯烯单层是比石墨烯更好的铁原子吸附载体且体系有磁性,这为研究吸附材料的电磁、输运、催化等特性提供了新的平台.     

用第一性原理研究掺钴碲化锌的电子结构和光学性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理，对Zn（1-x）CoxTe基态的能量、几何结构、电子结构和光学性质等进行了系统的研究．几何结构研究对晶格参量进行了优化计算，Co原子掺入ZnTe后晶格常量减小，晶格发生局部畸变；电子结构的研究表明，Co3d电子的引入导致带隙宽度变窄；计算了Zn（1-x）CoxTe的光学性质，给出了其吸收系数及介电函数的实部ε1、虚部ε2．掺Co导致吸收峰在长波区域减弱且进一步向长波方向扩展．     

ZnO电子结构与光学性质的第一性原理计算

计算了ZnO电子结构和光学线性响应函数,从理论上给出了ZnO材料电子结构与光学性质的关系。所有计算都是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。利用精确计算的能带结构和态密度分析了带间跃迁占主导地位的ZnO材料的介电函数、反射谱、反射率以及消光率,理论结果与实验符合甚佳,为ZnO光电材料的设计与应用提供了理论依据。同时,计算结果也为精确监测和控制ZnO材料的生长过程提供了可能性。     

La单掺4H-SiC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第一性原理计算方法,对未掺杂及La掺杂4H-SiC的电子结构和光学性质进行理论计算。计算结果表明,未掺杂4C-SiC其禁带宽度为2.257 eV。La掺杂后带隙宽度下降为1.1143eV,导带最低点为G点,价带最高点为F点,是P型间接半导体。掺杂La原子在价带的低能区间贡献比较大,而对价带的高能区和导带的贡献比较小。未掺杂4H-SiC在光子能量为6.25 eV时,出现一个介电峰,这是由于价带电子向导带电子跃迁产生。而La掺杂后,出现3个介电峰,分别对应的光子能量为0.47eV、2.67eV、6.21eV,前两个介电峰是由于价带电子向杂质能级跃迁产生,第三个介电峰是由于价带电子向导带电子跃迁产生。La掺杂后4H-SiC变成负介电半导体材料。未掺杂4h-SiC的静态介电常数为2.01,La掺杂的静态常数为12.01。     

α-BeH_2电子结构与光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论,采用赝势平面波方法研究了α-BeH2的结构、电子和光学性质.基态下,α-BeH2晶格常数a和体积弹性模量B0计算值与实验值及其它理论值一致.根据能带理论研究了α-BeH2基态下的能带结构、总态密度(DOS)和分波态密度(PDOS).经过分析发现α-BeH2为直接能隙半导体材料,能隙为5.44eV,与文献相比,本文计算的结果偏低,这主要是利用第一性原理中的局域密度近似(LAD)或广义梯度近似(GGA)交换关联能函数计算材料的带隙宽度或者磁耦合的理论结果均会偏低.通过对基态α-BeH2的Mulliken电荷分布和集居数的分析发现:α-BeH2属于离子键和共价键所形成的混合键化合物;α-BeH2的电荷总数分别来源于H1s轨道,Be2s和2p轨道.同时本文还分析研究了α-BeH2的光学介电函数、吸收系数、复折射率、反射系数和能量损失等光学性质.     

Sn掺杂ZnO电子结构与光学性质的第一性原理研究

采用密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法,利用广义梯度近似和Perdew-Burke-Ernzerdorf泛函,计算了不同Sn掺杂浓度下SZO(Sn∶ZnO)体系的电子结构与光学性质.研究了Sn掺杂浓度对SZO(Sn∶ZnO)的晶体结构、能带结构、电子态密度及光学性质的影响,并结合计算的能带结构和差分电荷密度对比分析了掺杂位置对计算结果的影响.研究结果表明,随着Sn掺杂浓度的增加,晶格常数c与a的比值变化很小,掺杂后晶胞没有发生畸变.掺杂体系的能量逐渐增大,稳定性减弱,且随着掺杂浓度的增加,带隙呈现先减小后增大的变化规律.掺杂后的SZO(Sn∶ZnO)成为间接带隙半导体,在导带底部附近出现了大量Sn原子贡献的导电载流子,明显提高了掺杂体系的电导率,并在费米能级附近与价带顶部之间出现一条由Sn原子贡献的杂质能级,能带结构呈现半填满状态,价带部分的电子态密度峰值向低能方向移动约1.5eV.同层掺杂的电子得失程度较大,带隙比相邻层掺杂和隔层掺杂时小.掺杂后吸收带边发生红移,材料对紫外光的吸收能力明显增强,介电常数虚部增大,主要跃迁峰向高能方向移动.计算结果表明SZO(Sn∶ZnO)是一种优良的透明导电薄膜材料.     

α-BeH2电子结构与光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论,采用赝势平面波方法研究了α-BeH2的结构、电子和光学性质。基态下,α-BeH2的晶格常数a和体积弹性模量B0计算值与实验值及其它理论值一致。根据能带理论研究了α-BeH2基态下的能带结构、总态密度(DOS)和分波态密度(PDOS)。经过分析发现α-BeH2为直接能隙半导体材料,能隙为5.44eV,与文献相比,本文计算的结果偏低,这主要是利用第一性原理中的局域密度近似(LAD)或广义梯度近似(GGA)交换关联能函数计算材料的带隙宽度或者磁耦合的理论结果均会偏低。通过对基态α-BeH2的Mulliken电荷分布和集居数的分析发现：α-BeH2属于离子键和共价键所形成的混合键化合物;α-BeH2的电荷总数分别来源于各自的H 1s轨道,Be 2s和2p轨道。同时本文还分析研究了α-BeH2的光学介电函数、吸收系数、复折射率、反射系数和能量损失等光学性质。     

黑索金电子结构和光学性质的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法对黑索金晶体的电子结构和光学性质进行了计算. 结果表明: 黑索金是能隙值为3.43 eV的绝缘体, 价带主要由C, N和O的2s与2p态构成, 而导带主要由N-2p和O-2p态构成; 静态介电函数ε₁(0)=1.38, 介电常数的虚部有5个峰值, 其中最大峰值在光子能量4.59 eV处, 并对造成这些峰值的可能的电子跃迁做了详细分析. 利用能带结构和态密度分析了黑索金的光反射系数、吸收系数及能量损失函数等光学性质, 发现黑索金是对光吸收、反射及能量损失不敏感的材料. 关键词： 黑索金 第一性原理 电子结构 光学性质     

CuInSe2电子结构与光学性质的第一性原理计算

从头计算了CuInSe2(CIS)体相的性质,参数设定和性质计算都基于密度泛函理论,交换相关能采用GGA,泛函形式为PBE,原子间相互作用的描述采用超软赝势.计算发现CIS中存在共价键,是一种非典型的离子型晶体,在整个晶体内存在共用电子对,Cu原子和Se原子的作用大于Se原子和In原子.CIS是一种典型的直接带隙半导体,计算得到了光学性质的各项参数,包括折射指数和反射率,吸收系数以及介电函数与光子能量的关系,发现CIS的主要光吸收峰有6个,分别为:3.1,7.6,10.0,16.1,19.0,21.0 eV,理论上最强吸收峰在紫外光区.     

TiO_2缺陷结构电子性质的第一性原理计算

本文采用第一性原理研究了O空位缺陷、Ti空位缺陷TiO_2的能带结构、总态密度、吸收谱.通过研究发现:与TiO_2超胞结构的能带相比,O空位缺陷体系的价带与导带能量均向低能区域移动,费米能级与导带底交错,呈现出n型半导体,Ti空位缺陷的TiO_2的费米能级与价带顶部的能级交错,为p型半导体材料.对于O空位缺陷TiO_2总态密度与分波态密度在低能区的态密度则主要由O的3s、3p轨道贡献的能量,而在费米能附近的态密度则主要由Ti的4d轨道贡献能量;Ti空位缺陷的态密度总态密度仍然由O的3s、3p和Ti的4d轨道贡献的能量;同时分析吸收光谱发现峰值下移较多的是钛缺陷体系,其原因在于Ti缺陷结构中未成键电子的相互作用.     

畸形钙钛矿DyMnO3电子结构与光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的广义梯度近似对畸形钙钛矿DyMnO₃的基态电子结构及光学性质进行计算和分析.结果表明优化的晶体结构参数与实验结果相符合,DyMnO₃具有非间接带隙大小为0.91 eV的能带结构,结合态密度分析了各元素价电子态的分布.计算分析包括介电常数,吸收系数,反射率等光学性质.     

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．     

纤锌矿结构AlInN电子及光学性质的第一性原理研究

本文通过基于密度泛函理论的第一性原理,研究了纤锌矿结构Al1-xInxN在不同In浓度下的稳固结构,以及电子和光学性质的变化规律。研究表明,AlInN不同In浓度的晶格结构都很稳定,说明AlInN的兼容性很好。晶格常数随In浓度的增大不断增大,而混晶的带隙则不断减小。并且随In浓度的增大,混晶在紫外光区的吸收系数、反射系数及折射率增大,吸收边、吸收峰和反射峰蓝移,且这两个峰的峰值减小。AlInN的吸收、反射和折射率曲线在Eg处出现峰值行为,此Eg处的峰值大小随In浓度的增加而增大。当In浓度达到87.5%时,混晶AlInN在紫外光区的吸收、反射和折射能力均达到最强,表明此时的掺杂效果最好。     

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.     

纤锌矿结构AlInN电子及光学性质的第一性原理研究

本文通过基于密度泛函理论的第一性原理,研究了纤锌矿结构Al1-xInxN在不同In浓度下的稳固结构,以及电子和光学性质的变化规律。研究表明,AlInN不同In浓度的晶格结构都很稳定,说明AlInN的兼容性很好。晶格常数随In浓度的增大不断增大,而混晶的带隙则不断减小。并且随In浓度的增大,混晶在紫外光区的吸收系数、反射系数及折射率增大,吸收边、吸收峰和反射峰蓝移,且这两个峰的峰值减小。AlInN的吸收、反射和折射率曲线在Eg处出现峰值行为,此Eg处的峰值大小随In浓度的增加而增大。当In浓度达到87.5%时,混晶AlInN在紫外光区的吸收、反射和折射能力均达到最强,表明此时的掺杂效果最好。     

TiO_2纳米管电子结构和光学性质的第一性原理研究

运用基于密度泛函理论的第一性原理方法,系统研究了小尺寸锐钛矿相(n,0)型Ti O2纳米管(D16)的几何构型、电子结构和光学性质.结果表明:随着管径增大,体系单位Ti O2分子的形成能降低,体系趋于稳定;在管径14左右,(n,0)型Ti O2纳米管会发生一次构型的转变.能带分析显示,Ti O2纳米管的电子态比较局域化,小管径下(D14)其导电性更好;随着构型的转变,Ti O2纳米管由直接带隙转变为间接带隙,并且带隙值随着管径的增大而增大,这是由于π轨道重叠效应的影响大于量子限域效应所导致的结果.两种效应的竞争,使得Ti O2纳米管的介电函数虚部ε2(ω)谱的峰值位置随管径增大既可能红移也可能蓝移,管径大于9(即(8,0)管)之后,Ti O2纳米管的光吸收会出现明显的增强.     

C与Na掺杂AlN电子结构与光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)的平面波超软赝势法,计算了本征AlN,C-AlN,Na-AlN以及C-Na-AlN四种体系的电子结构和光学性质.得出结论：掺杂后各体系与本征AlN相比发生了晶格畸变,C-Na-AlN体系的结合能最小,体系最稳定.掺杂体系相比于本征AlN,禁带宽度都有不同程度的减小,导致电子在体系内跃迁时的概率增大,其中C-Na-AlN体系尤为明显,电子跃迁所需要的能量更小.掺杂后吸收带边发生了红移,拓宽了AlN体系对光的响应范围,增强了光吸收,并且C-Na-AlN体系在可见光区域内光吸收能力最强,在介电函数图的分析中可以得到,C-Na-AlN体系的介电常数最大,表明其电荷束缚能力最强,体系稳定性强,极化能力最好.     

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。     

B、N单掺杂3C-SiC电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用第一性原理的密度泛函理论赝势平面波方法,计算了未掺杂与B、N单掺杂3C-SiC的电子结构和光学性质.结果表明:掺杂改变了3C-SiC费米面附近的电子结构;B掺杂使得禁带宽度减小,价带顶上移,费米能级进入价带,形成p型半导体;N掺杂使得禁带宽度减小,导带底下移,费米能级进入导带,形成n型半导体.B、N掺杂均提高了3C-SiC在低能区的折射率、消光系数和吸收系数,增强了对红外光谱的吸收.