空位及氮掺杂二维ZnO单层材料性质:第一性原理计算与分子轨道分析

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,系统地研究了带缺陷的二维类石墨烯结构的ZnO(graphenelike-ZnO,g-ZnO)的几何结构、电子结构、磁性性质和吸收光谱性质.研究的缺陷类型包括锌原子空位(VZn_g-ZnO)、氧原子空位(VO_g-ZnO)、氮原子取代氧原子(NO_g-ZnO)和表面吸附氮原子(N@g-ZnO).研究发现:NO_g-ZnO体系和N@g-ZnO体系形变较小,而空位体系会引入较大的形变;g-ZnO本身无磁矩,引入Zn空位后,VZn_g-ZnO体系总磁矩为2.00μB;VO_g-ZnO体系无磁矩,但N掺杂后的NO_g-ZnO体系和氮吸附的N@g-ZnO体系的总磁矩分别为1.00μB和3.00μB.利用掺杂体系的局域对称性和分子轨道理论分析了杂质能级和磁矩的产生原因,并且通过分析光吸收曲线得知,引入空位缺陷或者N原子掺杂,可以有效增强g-ZnO单层材料的光吸收性能.研究结果对系统地理解g-ZnO及其缺陷模型的性质有重要意义,可以为发展基于g-ZnO的纳米电子器件和光催化应用提供理论参考.     

氧、硫掺杂六方氮化硼单层的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论和投影缀加平面波的第一性原理计算方法, 研究了六方氮化硼单层(h-BN)中的氮原子缺陷(V_N)、氧原子取代氮原子(O_N)和硫原子取代氮原子(S_N)时的几何结构、磁性性质和电子结构.研究发现, V_N和O_N体系形变较小, 而S_N体系形变较大; h-BN本身无磁矩, 但具有N缺陷或者掺杂后总磁矩都是1 μ_B; 同时给出了态密度和能带结构.利用掺杂体系的局域对称性和分子轨道理论解释了相关结果, 尤其是杂质能级和磁矩的产生. 关键词： 六方BN单层 第一性原理计算 密度泛函理论 分子轨道理论     

Mn掺杂ZnS(110)表面的电子结构和磁性

采用基于密度泛函理论的第-性原理方法,研究Mn掺杂ZnS(110)表面的电子结构和磁性.计算分析不同掺杂组态的几何参数、形成能、磁矩、电子态密度以及电荷密度.结果表明:单个Mn原子掺杂,替位于表面第二层的Zn原子时体系形成能最低,说明该层是最稳定的掺杂位置.对于两个Mn原子的掺杂,当Mn与Mn之间呈反铁磁耦合时体系最稳定.体系的总磁矩和自由Mn原子的磁矩差别很小,但是Mn原子的局域磁矩却依赖于Mn原子的3d态和近邻S原子的3p态的杂化作用,即受周围S原子环境的变化影响较大.此外,分析电荷密度图得出Mn原子替换Zn原子后与S原子形成了更强的共价键.     

过渡金属元素X（X=Mo，Tc，Ru）掺杂单层GaS的第一性原理研究

近年来,二维GaS由于其优异的性质引起了科研人员的关注.基于密度泛函理论计算了过渡金属元素X(X=Mo, Tc, Ru)掺杂单层二维GaS的电子结构、磁性性质及光学性质.计算结果表明：单层GaS材料为间接带隙的非磁性半导体,在对S位点进行替位式掺杂后,Ga-rich和S-rich条件的形成能均为正数,导致过渡金属元素Mo、Tc和Ru不能自发地进入进入单层GaS材料中.所有掺杂体系都引入了杂质能级,杂质能级主要由掺杂原子的4d轨道贡献.掺杂后所有体系的带隙都有所减小,上自旋和下自旋的能带结构不再对称,使得Mo掺杂体系呈现半金属铁磁性,Tc和Ru掺杂体系呈磁性半导体特性,Mo、Tc和Ru掺杂后的总磁矩分别为4μ_B, 3μ_B和2μ_B,磁矩主要由掺杂原子的局域磁矩产生.掺杂后单层GaS的静介电常数得到提高,吸收谱出现红移,在可见光区和近红外区的吸收系数变大,对可见光的利用率增强.     

碱土金属X（X=Be，Mg，Ca和Sr）掺杂二维SnS2材料的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理研究赝势平面波方法,计算了碱土金属X(X=Be, Mg, Ca和Sr)掺杂二维单层SnS₂的电子结构、磁学性质和光学性质.结果表明：S-rich条件下的体系相较于Sn-rich更稳定,能带结构表明：在Be掺杂后,SnS₂体系从自旋向上通道和自旋向下通道完全对称的非磁性半导体转变为具有1.999μ_B磁矩的磁性半导体.在Mg掺杂后,体系转变为非磁性P型半导体;Ca和Sr两种掺杂体系由于极化程度的不同,导致在下自旋通道的能带穿过费米能级,而在上自旋通道的能带并未穿过费米能级,呈现出磁矩分别为1.973、2.000μ_B的半金属特性.同时发现X(X=Be, Mg, Ca和Sr)掺杂后,掺杂体系实部静态介电常数大幅度增加,掺杂后的SnS₂体系的极化能力增强,虚部数值在低能区明显变大,更适用于长波长光电器. Be, Mg, Ca和Sr掺杂不仅导致吸收边红移,而且提高了红外光区域的有效利用率.     

La掺杂和空位对ZnS磁性和光学性能影响的第一性原理研究

利用密度泛函理论框架下的平面波超软赝势法,通过第一性原理对La掺杂与Zn空位(V_(Zn))及La掺杂与S空位(V_S)共存的ZnS体系的电子结构、磁性机理、形成能及吸收光谱进行了研究.结果表明, La掺杂与空位(V_(Zn)或V_S)的空间位置最近时,掺杂体系的形成能最低,体系最稳定.另外,La掺杂与Zn空位共存时,体系具有磁性,且体系的净磁矩与La原子与Zn空位的相对位置有关;La掺杂与S空位共存时,掺杂体系无磁性,但此时体系的禁带宽度最窄且吸收光谱红移最显著.     

过渡金属原子X(X=Mn,Tc,Re)掺杂二维WS2第一性原理研究

二维材料由于具有独特的电子结构和量子效应、丰富的可调控特性而受到凝聚态物理和材料科学的广泛关注,其中通过过渡金属掺杂二维WS2形成的半金属铁磁性材料在自旋电子学领域中发挥着重要的作用.采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法计算了过渡金属原子X (X=Mn, Tc, Re)掺杂二维WS~2的电子结构、磁性和光学性质.研究表明:被过渡金属原子X掺杂的WS~2体系在S-rich条件下比在W-rich条件下更稳定.在Mn掺杂后,自旋向上通道中出现杂质能级,导致WS~2体系从自旋向上和自旋向下态密度完全对称的非磁性半导体转变为磁矩1.001μB的铁磁性半金属.在Tc, Re掺杂后,体系均转变为非磁性N型半导体.所有掺杂体系杂质态均发生自旋劈裂现象,且自旋劈裂程度逐渐减小.同时发现Mn, Tc, Re掺杂后,表现出优异的光学性质,它们的介电常数和折射系数与未掺杂WS~2的体系相比明显增强,吸收系数在低能量区域(0—2.0 eV)均出现红移现象.     

超电容储能电极材料的密度泛函理论研究

由于量子限域效应和态密度的限制,石墨烯、硅烯等二维材料的量子电容在费米能级附近趋近于零.基于密度泛函理论的第一性原理研究发现,掺杂和吸附使石墨烯等二维电极材料的电子结构得以有效的调制,它促进狄拉克点附近局域电子态的形成和/或费米能级的移动,从而使量子电容得到了提高.比较Ti (Au, Ag,Cu, Al)和3-B (N, P, S)掺杂单空位石墨烯(硅烯,锗烯)的量子电容,发现3-N掺杂单空位石墨烯和Ti原子吸附单空位硅烯、锗烯的量子电容明显得到了提升,量子电容分别为118.42μF/cm2, 79.84μF/cm2和76.54μF/cm2.另外还研究了3-N掺杂三种烯类的浓度效应,随掺杂浓度的增加,量子电容呈增加趋势.通过研究各掺杂体系的热力学稳定性问题,发现Ti是最稳定的吸附原子,因为Ti和C原子之间可以形成强键.在B, N, P, S掺杂单空位硅烯和锗烯中, S是最稳定的掺杂原子,而对于石墨烯, N掺杂的形成能最低,量子电容最高.上述二维电极材料的理论模拟计算为超级电容器和场效应晶体管中的实际应用做出了探索性的工作.     

Fe掺杂单壁ZnS纳米管磁性质

采用第一性原理密度泛函理论系统研究Fe原子掺杂单壁ZnS纳米管的结构和磁性质.首先比较掺杂纳米管的稳定性.结果表明,掺杂纳米管的形成能比纯纳米管的形成能低,说明掺杂过程是一个放热反应.单掺杂纳米管的总磁矩等于掺杂的磁性原子的磁矩,主要来自Fe原子3d态的贡献.Fe原子掺杂单壁ZnS纳米管趋向于反铁磁态.为了得到稳定的铁磁态,用一个C原子替代掺杂体系中的一个S原子.计算发现铁磁态的能量比亚铁磁态低0.164 eV的.在铁磁态和反铁磁态之间存在的巨大的能量差,表明此掺杂体系可能获得室温铁磁性.     

V掺杂ZnO团簇的结构和磁性质

本文采用第一性原理密度泛函理论系统的研究了V原子单掺杂和双掺杂(ZnO)_(12)团簇的结构和磁性质.我们考虑了三种掺杂方式:替代掺杂,外掺杂和内掺杂.单掺杂时,替代掺杂团簇是最稳定结构,而对于双掺杂,外掺杂团簇是最稳定结构.团簇磁矩主要来自V-3d态的贡献,4s和4p态也贡献了一小部分磁矩.由于轨道杂化,相邻的Zn和O原子上也产生少量自旋.V原子掺杂团簇的总磁矩与掺杂位置有关,说明V掺杂(ZnO)_(12)团簇在可调磁矩的磁性材料领域有潜在应用价值.     

Computationally predicting spin semiconductors and half metals from doped phosphorene monolayers

First-principles computations are performed to investigate phosphorene monolayers doped with 30 metal and nonmetal atoms. The binding energies indicate the stability of all doped configurations. Interestingly, the magnetic atom Co doping induces the absence of the magnetism while the magnetism is realized in phosphorene with substitutional doping of nonmagnetic atoms (O, S, Se, Si, Br, and Cl). The magnetic moment of transition metal (TM)-doped systems is suppressed in the range of 1.0-3.97 μ_B. The electronic properties of the doped systems are modulated differently; O, S, Se, Ni, and Ti doped systems become spin semiconductors, while V doping makes the system a half metal. These results demonstrate potential applications of functionalized phosphorene with external atoms, in particular to spintronics and dilute magnetic semiconductors.     

5d过渡金属原子掺杂氮化硼纳米管的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了当氮化硼纳米管（BNNT）中的B原子和N原子被5d过渡金属原子（Lu,Hf,Ta,W,Re,Os,Ir,Pt,Au,Hg）取代时BNNT的几何结构、电子结构和磁性性质. 作为对比,给出了理想BNNT,B缺陷体系（V_B）和N缺陷体系（V_N）的相应结果. 研究发现：5d原子取代B（B_5d）时体系的局域对称性接近于C_3v,但是取代N（N_5d）时体系的局域对称性偏离C_3v对称性较大;利用相同的5d原子进行掺杂时,B_5d的成键能比N_5d的成键能大;对于B_5d或者N_5d,其成键能基本上随着5d原子的原子序数的增大而降低;掺杂体系中出现了明显的杂质能级,给出了态密度等结果;不同掺杂情况的磁矩不同,取代B 时体系的总磁矩呈现出较强的规律性. 利用对称性和分子轨道理论解释了5d原子取代B时杂质能级的产生和磁性的变化规律. 关键词： 第一性原理计算 5d过渡金属原子 氮化硼纳米管 密度泛函理论     

V,Cr,Mn掺杂MoS2磁性的第一性原理研究

基于第一性原理的自旋极化密度泛函理论分别研究了过渡金属V, Cr, Mn掺杂单层MoS₂的电子结构、 磁性和稳定性. 结果表明: V和Mn单掺杂均能产生一定的磁矩, 而磁矩主要集中在掺杂的过渡金属原子上, Cr单掺杂时体系不显示磁性. 进一步讨论双原子掺杂MoS₂ 体系中掺杂原子之间的磁耦合作用发现, Mn掺杂的体系在室温下显示出稳定的铁磁性, 而V掺杂则表现出非自旋极化基态. 形成能的计算表明Mn掺杂的MoS₂体系相对V和Cr 掺杂结构更稳定. 由于Mn掺杂的MoS₂ 不仅在室温下可以获得比较好的铁磁性而且其稳定性很高, 有望在自旋电子器件方面发挥重要的作用. 关键词： 2')" href="#">单层MoS₂ 掺杂 铁磁态 第一性原理     

Electronic and structural properties of black phosphorene doped with Si,B and N

The electronic and structural properties of substitutional and doped phosphorene with B, N and Si were studied using first principles calculations based on density functional theory. Moreover, electronic and structural properties of functionalized phosphorene slowly increasing the concentration of doping was investigated. Phosphorene strongly binds with doped functionalization; B doped phosphorene is the most stable configuration studied. Si doped phosphorene maintains the semiconductor characteristic. B and N doped phosphorene present n-type and p-type semiconductors, respectively. Doped phosphorene with odd number of Si is a semiconductor material, doped phosphorene with an odd number of B has n-type semiconductor characteristic, and doped phosphorene with odd number of N atoms has a p-type semiconductor behaviour. Doped phosphorene with even number of Si has a metallic characteristic, while B and N doped phosphorene with even number present a semiconductor behaviour. This work reveals that phosphorene electronic properties could be changed by introducing the dopants on the system, and the properties are affected by the increasing number of dopants on phosphorene sheet.     

C掺杂金红石相TiO2的电子结构和光学性质的第一性原理研究

运用第一性原理的局域密度近似+U(0 ≤U≤9 eV)方法研究了本征金红石相TiO₂在不同U值(对Ti-3d电子)下的禁带宽度、晶体结构以及不同比例C元素掺杂的金红石相TiO₂的电子结构和光学性质, 研究表明, TiO₂的禁带宽度和晶格常数随着U值的增加而增大. 综合考虑取U=3 eV并对其计算结果进行修正. 对于掺杂体系, 发现C 元素的掺杂在金红石相TiO₂中引入杂质能级, 杂质能级主要由O-2p轨道和C-2p轨道耦合形成, 杂质能级的引入可以增加TiO₂对可见光的响应, 从而使TiO₂的吸收范围增大. C原子掺杂最佳比例为8.3%, 此时光学吸收边的红移程度最明显, 可增大光吸收效率, 从而提高了TiO₂光催化效率.     

First-principles calculations of 5d atoms doped hexagonal-AlN sheets：Geometry,magnetic property and the influence of symmetry and symmetry-breaking on the electronic structure

The geometry, electronic structure and magnetic property of the hexagonal AlN(h-AlN) sheet doped by 5d atoms(Lu, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au and Hg) are investigated by first-principles calculations based on the density functional theory. The influence of symmetry and symmetry-breaking is also studied. There are two types of local symmetries of the doped systems: C3v and D3h. The symmetry will deviate from exact C3v and D3h for some particular dopants after optimization. The total magnetic moments of the doped systems are 0μBfor Lu, Ta and Ir; 1μB for Hf, W, Pt and Hg; 2μB for Re and Au; and 3μB for Os and Al-vacancy. The total densities of state are presented, where impurity energy levels exist. The impurity energy levels and total magnetic moments can be explained by the splitting of 5d orbitals or molecular orbitals under different symmetries.     

Band-gap engineering of La_(1-x)Nd_xAlO_3(x = 0,0.25,0.50,0.75,1)perovskite using density functional theory:A modified Becke Johnson potential study

The structural,electronic,and magnetic properties of the Nd-doped Rare earth aluminate,La_(1-x)Nd_xAlO_3(x = 0%to 100%) alloys are studied using the full potential linearized augmented plane wave(FP-LAPW) method within the density functional theory.The effects of the Nd substitution in La AlO_3 are studied using the supercell calculations.The computed electronic structure with the modified Becke–Johnson(m BJ) potential based approximation indicates that the La_(1-x)Nd_xAlO_3 alloys may possess half-metallic(HM) behaviors when doped with Nd of a finite density of states at the Fermi level(E_F).The direct and indirect band gaps are studied each as a function of x which is the concentration of Nddoped La AlO_3.The calculated magnetic moments in the La_(1-x)Nd_xAlO_3 alloys are found to arise mainly from the Nd-4f state.A probable half-metallic nature is suggested for each of these systems with supportive integral magnetic moments and highly spin-polarized electronic structures in these doped systems at E_F.The observed decrease of the band gap with the increase in the concentration of Nd doping in La AlO_3 is a suitable technique for harnessing useful spintronic and magnetic devices.     

稀土Gd掺杂新型二维材料磷烯改性研究

本文采用第一性原理赝势平面波法, 计算并分析了稀土Gd掺杂磷烯的物理结构、电子结构、磁性以及光学性质. 计算表明: 在掺杂原子Gd附近引起了磷烯物理结构上的变化. 能带数量明显增多变密, 带隙变窄由0.921eV变为0.578eV. 同时, 由于Gd原子的4f和5d轨道电子两种自旋取向分布具有不对称性, 给体系引入了强磁性, 计算得到的自旋磁矩为7.470B. 磷烯材料的复介电函数是各向异性的, 同时可以得出磷烯材料在其它光学性质方面也是各向异性的. Gd掺杂后使材料的介电性能增强. 在紫外光的能量范围内, 不同极化方向上的反射率和损失函数的峰值降低, 说明Gd的掺入使材料对紫外光的敏感度有所减弱. 希望以上研究结果能为新型二维材料磷烯在光电和稀磁半导体材料的设计与开发方面提供理论依据.     

First-principles study on the influence of biaxial strain on the electronic and magnetic properties of defective blue phosphorene

Regulating the magnetic state of 2D materials is becoming increasingly important for the next generation of spintronic devices. In this study, the first-principles calculation method is used to study the synergistic modulating effect of biaxial strain and vacancy defects on the magnetic properties of blue phosphorene. Results show that only Single Vacancy (SV) doping magnetizes the intrinsic blue phosphorene, Double Vacancy-1 (DV-1), Double Vacancy-2 (DV-2) and Double Vacancy-3 (DV-3) doped blue phosphorene are magnetized under biaxial strain. The magnetic states of SV, DV-1, DV-2 and DV-3 systems change with the intensity of biaxial strain. In some cases, the magnetic moment of the system can be changed from 0 μB to 4 μB. The biaxial strain affects the partially bonding structure near the defects, changes the position of the dangling bond, and thereby adjusts the magnetic state. Our research provides positive guidance for the future application of blue phosphorene in the semiconductor field.