Mn掺杂GaN的电子结构及光学性质

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波赝势法(PWP)计算Mn掺杂GaN(Ga1-xMnN)晶体的电子结构及光学性质,详细讨论掺杂后电子结构的变化.计算表明,Mn掺杂GaN使得Mn 3d与N 2p轨道杂化,产生自旋极化杂质带,Ga1-xMnxN表现为半金属性,非常适于自旋注入,说明该种材料是实现自旋电子器件的理想材料.另结合实验结果分析掺杂后体系的光学性质,发现吸收谱在1.3 eV处出现吸收峰,吸收系数随Mn2+浓度增加而增大.分析表明,该峰是源于Mn2+离子e态与t2态间的带内跃迁.     

闪锌矿MTe (M=Zn/Mg)的几何结构、弹性性质、电子结构和光学性质

采用基于密度泛函理论(DFT)框架下广义梯度近似(GGA)平面波超软赝势(PP-PW)方法, 计算了闪锌矿型MTe (M=Zn/Mg)的几何结构、弹性性质、电子结构和光学性质. 同时采用杂化密度泛函调准了带隙. 结果表明, 立方相ZnTe和MgTe均为直接带隙半导体材料. 所得晶格参数、弹性常数及体模量与实验数据基本吻合. 由弹性常数推导出ZnTe、MgTe的德拜温度分别为758、585 K. 研究了MTe的复介电函数、折射率、反射率和能量损失系数等光学性质, 并基于电子能带结构和态密度对光学性质进行了解释.     

In、Sc掺杂对SrTiO_3电子结构和光学性质的影响(英文)

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势计算方法,研究了In、Sc p型掺杂对SrTiO_3母体化合物稳定性、电子结构和光学性质的影响.计算结果表明:掺杂后,SrIn_(0.125)Ti_(0.875)O_3和SrSc_(0.125)Ti_(0.875)O_3的稳定性降低,体系显示p型简并半导体特征,掺杂仅引起杂质原子近邻区域的几何结构发生变化.同时,SrIn_(0.125)Ti_(0.875)O_3和SrSc_(0.125)Ti_(0.875)O_3体系的光学带隙分别展寬0.35、0.30 eV,光学吸收边发生蓝移,在1.25.2.00 eV的能量区间出现新的吸收峰,该吸收峰与体系Drude型自由载流子的激发相关.此外,SrIn_(0.125)Ti_(0.875)O_3和SrSc_(0.125)Ti_(0.875)O_3体系的可见光透过率有了明显的提高,在350-625 nm波长范围透过率高于85%.掺杂原子在费米能级处低的电子态密度限制了跃迁概率和光吸收.大的禁带宽度、小的跃迁概率和弱的光吸收是SrIn_(0.125)Ti_(0.875)O_3和SrSc_(0.125)Ti_(0.875)O_3体系具有较高光学透明度的原因.     

Y-Cu共掺杂ZnO电子结构与光学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波赝势法研究了本征ZnO、Y和Cu单掺杂ZnO、Y-Cu共掺杂ZnO的电子结构和光学性质. 计算结果表明, 在本文的掺杂浓度下, Y和Cu单掺杂可以提高ZnO的载流子浓度, 从而改善ZnO的导电性, Y-Cu共掺时ZnO半导体进入简并状态, 呈现金属性. Y 掺杂ZnO可以提高体系在紫外区域的吸收, 而Cu掺杂ZnO在可见光和近紫外区域发生吸收增强现象, 其中由于Y离子和Cu离子之间的协同效应, Y-Cu共掺杂ZnO时体系对可见光和近紫外区域的光子能量吸收大幅增加, 因此Y-Cu共掺杂ZnO可以用于制作光电感应器件.     

In、Sc掺杂对SrTiO3电子结构和光学性质的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势计算方法, 研究了In、Sc p型掺杂对SrTiO3母体化合物稳定性、电子结构和光学性质的影响. 计算结果表明:掺杂后, SrIn0.125Ti0.875O3和SrSc0.125Ti0.875O3的稳定性降低, 体系显示p型简并半导体特征, 掺杂仅引起杂质原子近邻区域的几何结构发生变化. 同时, SrIn0.125Ti0.875O3和SrSc0.125Ti0.875O3体系的光学带隙分别展宽0.35、0.30 eV, 光学吸收边发生蓝移, 在1.25-2.00 eV的能量区间出现新的吸收峰, 该吸收峰与体系Drude型自由载流子的激发相关. 此外, SrIn0.125Ti0.875O3和SrSc0.125Ti0.875O3体系的可见光透过率有了明显的提高, 在350-625 nm波长范围透过率高于85%. 掺杂原子在费米能级处低的电子态密度限制了跃迁概率和光吸收. 大的禁带宽度、小的跃迁概率和弱的光吸收是SrIn0.125Ti0.875O3和SrSc0.125Ti0.875O3体系具有较高光学透明度的原因.     

ZnO氧缺陷的电子结构和光学性质

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法对ZnO_0.875的电子结构和光学性质进行了计算. 用第一性原理对含氧空位的ZnO晶体进行了结构优化处理, 计算了完整的和含氧空位的ZnO晶体的电子态密度. 结合精确计算的电子态密度分析了带间跃迁占主导地位的ZnO_0.875 材料的介电函数、吸收系数、折射系数、湮灭系数和反射系数, 并对光学性质和极化之间的联系做了详细讨论. 结果表明ZnO_0.875晶体是单轴晶体, 并且在低能区域存在因氧缺陷而造成的一些特性. 我们的研究结果为ZnO的发光特性提供新的视野, 同时为ZnO的光电子材料的设计和应用提供理论基础.     

Lu掺杂AlN的电子结构和光学性质的第一性原理研究

为了探索 AlN在光电器件中的潜在应用,采用第一性原理计算了不同 Lu掺杂浓度(以原子分数 x表示)的 AlN(Al_1-xLu_xN)的电子结构和光学性质。研究结果表明,Al_1-xLu_xN的超胞体积随着Lu掺杂浓度的增加而增加,而带隙则相反。Al_1-xLu_xN的静态介电常数在低能区随掺杂浓度的提高而提高,随后逐渐趋向一致。随着Lu掺杂浓度的增加,反射率和吸收系数的峰值强度降低,峰值向较低能量方向移动。Al_1-xLu_xN的能量损失光谱表现出明显的等离子体振荡特性,且峰值低于本征AlN。Al_1-xLu_xN的光电导率在低能区随能量的增加而急剧增加。     

Lu掺杂AlN的电子结构和光学性质的第一性原理研究

为了探索AlN在光电器件中的潜在应用,采用第一性原理计算了不同Lu掺杂浓度(以原子分数x表示)的AlN(Al_1-xLu_xN)的电子结构和光学性质。研究结果表明,Al_1-xLu_xN的超胞体积随着Lu掺杂浓度的增加而增加,而带隙则相反。Al_1-xLu_xN的静态介电常数在低能区随掺杂浓度的提高而提高,随后逐渐趋向一致。随着Lu掺杂浓度的增加,反射率和吸收系数的峰值强度降低,峰值向较低能量方向移动。Al_1-xLu_xN的能量损失光谱表现出明显的等离子体振荡特性,且峰值低于本征AlN。Al_1-xLu_xN的光电导率在低能区随能量的增加而急剧增加。     

In2O3电子结构与光学性质的第一性原理计算

采用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, 计算了In2O3电子结构和光学线性响应函数, 系统研究了In2O3电子结构与光学性质的内在关系. 利用计算的能带结构和态密度分析了带间跃迁占主导地位的In2O3材料的能量损失函数、介电函数、反射图谱, 根据电荷密度差分图分析了In2O3材料的化学和电学特性. 研究结果表明In2O3光学透过率在可见光范围内高达85%, 可作为优异的透明导电薄膜材料. 同时, 计算结果为我们制备基于In2O3透明导电材料的设计与大规模应用提供了理论依据, 也为监测和控制这一类透明导电材料的生长过程提供了可能性.     

低温相GeO2晶体的合成及其电子结构与光学性质第一性原理计算

通过低温水热的合成方法合成了一例新的低温相GeO₂晶体(l-GeO₂), 并对其进行了红外光谱、热重以及X射线衍射的分析表征. 晶体学测试结果表明, l-GeO₂属于四方晶系, P4/mcc空间群, 晶胞参数a＝b＝8.832(4) Å, c＝14.479(7) Å, V＝1129.4(9) ų, Z＝4, R₁＝0.0629, wR₂＝0.1540. 晶体结构中包含一个由4个双四元环单元(D4R)和4个GeO₄四面体交替相连而形成的沿[001]方向的一维(1D) 12-元环孔道. 采用密度泛函理论下的第一性原理平面波超软赝势方法, 对l-GeO₂的电子结构和光学性质进行了理论计算. 计算结果表明l-GeO₂为直接带隙半导体, 带宽为3.31 eV|其价带主要由O的2p电子构成, 导带主要由Ge的4s和4p态电子构成|静态介电常数ε₁(0)＝1.92, 折射率n(0)＝1.24, 吸收系数最大峰值为8.9×10⁴ cm^－1, 最大反射率为12%. 比较分析了l-GeO₂与石英相GeO₂ (q-GeO₂)和金红石相GeO₂ (r-GeO₂)的复介电函数、复折射率、吸收谱以及反射谱等光学性质的异同点. 结果显示l-GeO₂的能带结构和光学性质与q-GeO₂较接近, 与r-GeO₂的相差较大.     

钛铁矿型六方相ZnTiO3的电子结构和光学性质

分别采用基于密度泛函理论(DFT)的局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)方法对钛铁矿型六方相ZnTiO₃的电子结构进行了第一性原理计算, 并在局域密度近似下计算了六方相ZnTiO₃的光学性质, 并将计算结果与实验数据进行了对比. 结果表明, 在局域密度近似下计算得到的结构参数更接近实验数据. 理论预测六方相ZnTiO₃属于直接带隙半导体材料, 其禁带宽度(布里渊区Z 点)为3.11 eV. 电子态密度和Mulliken 电荷布居分析表明Zn―O键是典型的离子键而Ti―O键是类似于钙钛矿型ATiO₃ (A=Sr, Pb, Ba)的Ti―O共价键. 在50 eV的能量范围内研究了ZnTiO₃的介电函数、吸收光谱和折射率等光学性质, 并基于电子能带结构和态密度对光学性质进行了解释.     

空位缺陷黄铁矿的电子结构及其浮选行为

采用第一性原理平面波赝势计算了含有空位缺陷的黄铁矿的电子结构,同时讨论了空位缺陷对黄铁矿浮选行为的影响.研究结果表明:硫空位对晶胞体积影响不大,铁空位使黄铁矿晶胞膨胀了1.29%;空位缺陷主要影响黄铁矿费米能级附近的电子能带结构,并在禁带中出现了新能级;空位的存在使黄铁矿的费米能级升高,不利于黄铁矿的浮选.另外,有效质量计算表明,空位的存在增强了黄铁矿导带底电子的定域性.Mulliken键布居分析表明,理想黄铁矿的S—Fe键的共价性大于S—S键的,空位导致周围原子的键之间的共价性增强,有利于黄铁矿浮选.综合考虑空位的存在对矿物费米能级及原子间共价性的影响,我们认为空位的存在不利于黄铁矿的浮选.     

聚偏二氟乙烯晶体的电子结构和光学性质

利用含Tkatchenko-Scheffler(TS)色散修正的密度泛函理论的第一性原理方法对九种聚偏二氟乙烯(PVDF)晶相的电子结构和光学性质进行了计算. 结果表明,PVDF晶体作为一种绝缘体,能带具有密集且平直等特征,其带隙值在6.05-7.34 eV之间,且和实验值接近. 价带主要是F原子的2s和2p态起主要贡献,导带主要由C原子的2p态和H原子的1s态共同参与构成. 在0-35 eV光子能量范围内,介电函数、吸收率、反射率和折射率等光学性质发生变化主要在深紫外区域. 根据介电函数等光学参数的谱特点,可以将九种PVDF的晶相划分为{Ⅰ_p},{Ⅱ_pu},{Ⅱ_au,Ⅱ_ad,Ⅱ_pd,Ⅲ_pu},{Ⅲ_au,Ⅲ_ad,Ⅲ_pd}等四类,每一类都具有相似的光学参数特点.     

扶手椅型缺陷硫化钼纳米带电子性质的第一性原理计算

基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了含空位缺陷的扶手椅型二硫化钼纳米带的电子性质.发现缺陷会导致纳米带结构稳定性降低,单空位钼缺陷和三空位缺陷使得纳米带从半导体变成金属性,而单空位硫缺陷和两种双空位缺陷仅减小纳米带的带隙;电子态密度和能带的本征态表明缺陷纳米带费米能级附近的杂质态主要是缺陷态的贡献.研究了四类半导体性质的纳米带带隙与宽度的关系,对于完整的纳米带,带隙随宽度以3为周期振荡变化;而引入空位缺陷后,纳米带的带隙振荡不再具有周期且振荡幅度变小.同时发现,当缺陷的浓度变小后,缺陷仅使纳米带的带隙减小,不会使其变为金属性.这些结果有望打开其在新型纳电子器件中的应用潜能.     

Armchair型石墨纳米带的电子结构和输运性质

利用第一性原理的电子结构和输运性质计算方法, 研究了扶手椅(armchair)型单层石墨纳米带(具有锯齿边缘)的电子结构和输运性质及其边缘空位缺陷效应. 研究发现, 完整边缘的扶手椅型石墨纳米带是典型的金属性纳米带, 边缘空位缺陷的存在对扶手椅型纳米带能带结构有一定的影响,但并不彻底改变其金属性特征.     

采用第一性原理研究非金属掺杂BiOCl的电子结构和光吸收性质

基于密度泛函理论的第一性原理分别研究了不同浓度Br和I掺杂BiOCl体系的能带结构、态密度、形成能和光学性质.研究结果表明,由于Br的4p和I的5p轨道作用,Br和I掺杂可在一定程度上降低BiOCl的禁带宽度,拓宽BiOCl的光吸收范围.Br和I掺杂BiOCl的形成能计算结果表明,Br掺杂BiOCl的稳定性高于I掺杂体系.对于B,C,N,Si,P和S掺杂BiOCl体系,掺杂能级的形成主要由掺杂元素的np轨道贡献,使BiOCl吸收带边红移至可见光区.而S掺杂则位于价带顶位置,有效地降低了BiOCl禁带宽度,使BiOCl响应波长出现红移,且未形成中间能级,不易成为俘获陷阱,因此S掺杂将是一种提高BiOCl可见光光催化活性的改性方法.