O、Se和Te掺杂对单层MoS2电子能带结构和光学性质的影响

利用密度泛函理论第一性原理,计算了本征单层MoS2以及O、Se和Te掺杂单层MoS2的结构参数、能带结构、氧化还原电势、态密度、光吸收特性和光催化潜力.结果表明,本征和掺杂单层MoS2的晶胞参数、键长随原子半径的增大而增大,键角随原子半径的增大而减小.掺杂后禁带宽度变小,导电性增强.本征和掺杂的单层MoS2的导带底电位负于水解制氢反应的还原势,其价带顶电位正于水解制氢反应的氧化势,均具有光催化水解制氢的潜力.但是,本征和O掺杂,由于价带顶与导带底电位相应于水的氧化还原势和电子空穴需求量均存在不平衡,使其光解水性能不理想.然而,Se和Te掺杂可以平衡其还原与氧化能力,改善单层MoS2的光催化的性能,其中Se掺杂改善效果最为明显.同时,掺杂后的单层MoS2对可见光吸收效率增强.此研究有助于筛选合适的单层MoS2掺杂元素,提高单层MoS2材料的光催化水解制氢性能.     

C-X(X=Y,Zr)共掺杂SnO2电子结构的第一性原理研究

基于第一性原理方法研究了C单掺杂SnO2和C-X(X=Y,Zr)共掺杂SnO2的能带结构、态密度以及分电荷分布.结果表明:C掺杂、C-Y、C-Zr共掺杂SnO2的带隙值分别为1.109 eV、1.86 eV、1.214 eV,较超胞结构的带隙值降低,有利于电子的跃迁;C-Y共掺杂SnO2的导带底部有3条杂质能级分离出来,C-Zr共掺杂SnO2的能带价带顶部能级中有3条能级分离出来,其中1条能级贯穿费米能级;C-Y,C-Zr共掺杂SnO2的态密度中在低能区会产生1个态密度峰值,部分态密度的峰值由Y、Zr的d轨道贡献;C-Y、C-Zr共掺杂SnO2会打破SnO2电子平衡状态,致使电荷的重新分布.     

单层2H-MoTe2光电效应的理论研究

材料的禁带宽度是影响光电探测器探测范围的重要因素.单层2H-MoTe2因具有合适的禁带宽度引起了科研人员广泛的研究兴趣.本文基于非平衡态格林函数-密度泛函理论,采用第一性原理方法,研究了单层2H-MoTe2的光电效应.结果表明:在线性偏振光照射下,MoTe2产生的光电流函数与唯象理论相吻合;在光子能量范围1.6～1.8...     

C、N、F掺杂对VO2电子结构影响的研究

二氧化钒(VO₂)是一种热至变色材料,在临界温度340 K有金属-半导体相变.第一性原理计算结果发现:C、N、F元素以1.56;、3.13;、4.69;的原子浓度掺杂M1相VO₂的带隙Eg1降低到0.349～0.612 eV,其中氮元素以4.69;的浓度掺杂VO₂的带隙Eg1最小(0.349 eV).在C、N、F掺杂M1相VO₂体系中,3.13;的N掺杂可以有效降低相变温度,并且对可见光透过率影响不大,所以3.13;的N原子掺杂VO₂可以在实际中应用.     

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.     

纤锌矿和岩盐结构ZnO的相变、弹性性质和电子结构研究

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(USP)方法,结合广义梯度近似(GGA)计算了岩盐结构(B1)和纤锌矿结构(B4)ZnO的相变、弹性性质,并分析了B1和B4相ZnO在相变点处的电子结构特征.计算结果表明:ZnO在12.72 GPa时发生了由B4相向B1相的转变.B1和B4相ZnO的体弹性模量分别为171.5 GPa和132.8 GPa.能带结构的结果表明B1相是间接带隙半导体,带隙值为1.404 eV,而B4相是直接带隙半导体,带隙值为1.107 eV.     

Mg掺杂浓度对GaN电子结构和光学性质的影响

基于密度泛函理论的第一性原理,分析了Mg掺杂浓度对GaN晶格参数、能带结构、电子态密度和光学性质的影响.研究表明:Mg掺杂GaN体系,晶格常数增大,禁带宽度增加,而且禁带宽度随着Mg含量的增加而增加,同时N2p和Mg2p态电子轨道的相互杂化,从而在费米能级附近引入受主能级,随着Mg含量的增加,费米能级进入价带的位置加深,同时Mg掺杂浓度越高,价带和导带带宽越窄.掺Mg后在介电函数和光学吸收谱的低能区和高能区均出现了新的介电峰,这些峰的出现和禁带中的杂质能级到导带底的跃迁有关,由于带隙的增加使介电峰向高能量方向发生偏移.     

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。     

Fe,Mn共掺SnO2超晶格电子结构和光学性质研究

基于密度泛函理论的第一性原理,采用了广义梯度近似(GGA)处理交换相关势,用Wien2k软件计算了SnO2超晶格掺杂单层Mn、双层Mn及Fe、Mn共掺情况下的态密度、能带结构、光学性质.结果表明SnO2超晶格单掺Mn时,材料表现为半金属性,这是由于Mn-3d与O-2p的耦合作用,而双层Mn掺杂时仅有O-2p提供.随Mn掺杂层数的增加,其光学性质在低能级处的峰值增大,光学吸收边发生红移,材料透光性能增强.当Fe、Mn共掺时,态密度向低能方向移动,能带结构在Fermi能级附近出现自旋极化,材料表现为半金属性,这是由于Fe与Mn强烈耦合所致.材料的吸收谱、反射谱、能量损失图谱变化趋势一致,但共掺杂比单掺时各谱更向低能方向移动.     

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.     

GeS/MoS2异质结电子结构及光学性能的第一性原理研究

以MoS₂、GeS为代表的二维层状材料在光学、电学等方面表现出优异的物理性能。如何将两者的优良性能结合,同时获得具有新的协同功能的复合材料对电子器件的发展和应用具有重要意义。本文采用密度泛函理论的第一性原理计算方法,对GeS/MoS₂异质结的电子结构及光学性质进行了系统研究,并探索了界面间距、应变和电场对异质结电子结构和光学性能的影响。研究结果表明,GeS/MoS₂异质结是Ⅱ型能带排列,该能带排列有利于光生电子-空穴对的分离。进一步研究发现,通过应变和电场等手段可以实现对GeS/MoS₂异质结能带排列及光吸收系数的有效调控。该研究结果表明GeS/MoS₂异质结在光催化、光电器件等领域具有潜在的应用,为设计与制备GeS/MoS₂相关的光电器件提供了理论指导。     

单层n型MoS2/p型c-Si异质结太阳电池数值模拟

单层二硫化钼(MoS₂)是一种具有优异光电性能的半导体材料,在太阳能能量转换中表现出很大的应用潜力。本文基于AMPS模拟软件,对单层n型MoS₂/p型c-Si异质结太阳电池进行了数值模拟与分析。通过模拟优化,n型MoS₂的电子亲和能为3.75 eV、掺杂浓度为10¹⁸ cm^-3,p型c-Si的掺杂浓度为10¹⁷ cm^-3时,太阳电池能够取得最高22.1%的转换效率。最后模拟了n型MoS₂/p型c-Si异质结界面处的界面态对太阳电池性能的影响,发现界面态密度超过10¹¹ cm^-2·eV^-1时会严重影响太阳电池的光伏性能。     

CdTe和CdZnTe电子结构及成键机理的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的CASTEP程序软件包,计算了CdTe和CdZnTe的能带结构和态密度,研究对比了CdTe 和CdZnTe的分子内成键机制.结果表明,在CdZnTe中,Cd eg和Te 5s杂化形成较低的价带,Zn t2g和Te 5pz杂化形成的π键等构成中间价带,Zn 4s和Te 5pz杂化形成的σ键等构成导带.Cd 5s和Te 5s不再杂化,导带底向高能级方向移动.     

Ba掺杂Si 笼状化合物结构和电子性质的研究

利用第一性原理研究了Ba_8Si_(46)和Ba_8Ag_6Si_(40)笼状化合物的电子性质.对于Ba_8Si_(46),化合物中Ba原子5d轨道与Si原子3s,特别是3p轨道杂化,一方面导致了Ba_8Si_(46)在费米能级附近有很高的态密度,另一方面说明了笼内Ba原子和笼上Si原子之间存在耦合.对于Ba_8Ag_6Si_(40)分析结果表明,由于Ag的5s轨道向Si的3p轨道转移电子,导致Ag与Si原子间成键趋向离子键.带结构显示这两种化合物具有弱金属特征,但Ba_8Ag_6Si_(40)化合物与费米能级相交的带宽较大,预期这种化合物具有更好的导电性能.     

基于第一性原理研究Ta2AlC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计算软件Materials Studios 5.5的CASTEP软件包,分另计算了Ta2AlC的电子结构和光学结构,从电子结构角度分析光学性质的变化规律.从能带结构分析结果可知,Ta2AlC是电导体.结合Ta2AlC的电子结构可知,其介电常数峰值是由Tad和Cs的轨道间电子的跃迁产生的.Ta2 AlC在可见光区的反射率变化幅度小,说明它可以作为一种温度控制涂层材料.Ta2 AlC在紫外光区呈现出较大的反射率,说明它是一种潜在的防紫外线材料.     

MoS2/SnS异质结太阳能电池的模拟研究

硫化亚锡(SnS)是一种Ⅳ-Ⅵ族层状化合物半导体材料,其禁带宽度与太阳能电池最佳带隙1.5 eV非常接近,并且在可见光范围内光的吸收系数很大(α>10⁴ cm^-1),因此SnS是一种很有应用前景的材料。本文利用太阳能电池模拟软件wxAMPS模拟了MoS₂/SnS异质结太阳能电池,主要研究SnS吸收层的厚度、掺杂浓度和缺陷态等因素对太阳能电池性能的影响。研究发现:SnS吸收层最佳厚度为2 μm,最佳掺杂浓度为1.0×10¹⁵ cm^-3;同时高斯缺陷态浓度超过1.0×10¹⁵ cm^-3时,电池各项性能参数随着浓度的增加而减小,而带尾缺陷态超过1.0×10¹⁹ cm^-3·eV^-1时,电池性能才开始下降;其中界面缺陷态对太阳能电池影响比较严重,界面缺陷态浓度超过1.0×10¹² cm^-2时,开路电压、短路电流、填充因子和转换效率迅速下降。另外,通过模拟获得的转换效率高达24.87%,开路电压为0.88 V,短路电流为33.4 mA/cm²。由此可知,MoS₂/SnS异质结太阳能电池是一种很有发展潜力的光伏器件结构。     

Ag/MoS2复合纳米材料对香精分子的SERS效应

采用正丁基锂插层法在室温下制备了MoS2纳米片悬浊液;同时,在酒石酸和抗坏血酸的还原作用下,由硝酸银溶液制备了Ag纳米粒子分散液.将两种液体按一定比例混合,再放置过夜后就可制得Ag/MoS2复合纳米材料.以邻氨基苯甲酸甲酯香精分子为标记物,在波长为785 nm的激光激发下,对该复合材料的表面增强拉曼散射(SERS)光谱性能进行了测试,结果表明,该材料对香精分子具有很高的SERS效应.