Er掺杂SiNP电子结构和光学性质的第一性原理研究

当硅基发光材料得到广泛应用时,为了给硅基材料的设计及应用提供理论依据,利用基于密度泛函理论的第一性原理,对Er掺杂在Si纳米晶粒不同位置的结构稳定性、电子与光学性质进行了研究.结果表明:Er掺杂在Si纳米晶粒的中心位置时,结构最稳定;Er掺杂后的Si纳米晶粒引入了杂质能级,最终导致禁带宽度变窄;掺杂后的Si纳米晶粒在低能区出现了一个新的吸收峰,当Er原子向表面位置移动时,新的吸收峰峰值逐渐减小,甚至消失.     

提高掺铒硅基纳米材料发光效率的探索

本文中,我们以SiO2介质镶嵌的纳米晶Si薄膜(nc-Si/SiO2)作为基质,将稀土离子Er掺入其中所形成的nc-Si:Er3+/SiO2薄膜材料为主,介绍了nc-Si→Er3+之间的能量转移过程,探讨了实现各类掺Er的Si基纳米材料高效率发光的可能途径.这些方法主要包括:增强nc-Si→Er3+的能转移效率,提高有效Er的掺杂浓度,选择最佳的退火温度,增加Er-O发光复合体的浓度和制备新的Er掺杂Si基纳米结构等.这些方法对制备具有高发光效率的掺铒硅基纳米材料具有重要的实际意义.     

Er掺杂金刚石缺陷的第一性原理研究

本文以第一性原理计算为基础,研究了Er掺杂后金刚石的电子结构、能级跃迁及N、B原子共掺杂对金刚石Er相关缺陷的影响。首先对Er掺杂后金刚石的形成能与结合能进行计算,结果表明掺杂后的稳定结构为Er原子周围存在1个空位的结构,稳定价态为+3价。然后预测零点跃迁能(ZPL)是0.807 eV,对应激发的光子波长为1 536.289 nm。最后对N、B原子共掺杂计算,结果表明N、B原子的掺入可以使形成能降低,增加结构稳定性。Er掺杂金刚石使其在近红外光谱发光,为Er金刚石色心的应用提供了理论依据。     

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.     

SiO_2中包埋纳米晶Si光电性质的计算

采用第一性原理平面波赝势方法计算了SiO_2基质包埋不同尺寸纳米晶粒Si_3和Si_5的电子结构及光学性质.结果表明,随着包埋纳米晶粒尺寸的减小,包埋Si_3结构的带隙比包埋Si_5结构宽,但包埋Si_5结构对可见光区的吸收优于包埋Si_3结构.Si_3结构的第一个吸收峰在约3.9 eV处,Si_5结构的第一个吸收峰在约4.6 eV处.计算表明,Si纳米颗粒中Si原子数与包埋基质的分子数之比为45.46;是一种较好的结构参数,对可见光区吸收效果好.     

镁离子掺杂多孔硅的蓝光发射

用电化学方法对多孔硅薄膜进行了镁离子的化学掺杂.用荧光分光光度计分析了样品的光致发光特性,发现镁掺杂增强了多孔硅的蓝光发射,当镁离子浓度增大到0.002mol/L时,可使蓝光强度达到多孔硅红光强度的一半.红外吸收谱表明,掺镁多孔硅的表面形成较完整的Si-O-Si网络结构,分析结果认为,多孔硅的蓝光光激发主要发生在多孔硅的纳米硅粒中,光发射主要发生在多孔硅中包裹纳米硅SiOx层中的发光中心上,对实验结果进行了合理的解释.     

Cu替位与空位及Cu、S共掺SnO2的光磁性质研究

运用第一性原理,基于密度泛函理论,计算了Cu分别以替位和空位两种方式掺杂SnO2的电子结构和光电特性,并对两种掺杂方式做了一定的比较研究;磁性方面,主要研究了Cu、S共掺SnO2后的磁学性能.计算表明,两种方式掺杂,都使SnO2具有半金属特性,Cu原子将与周围的O原子发生强烈的交换作用,Cu原子对态密度的贡献主要在费米能级附近.相比之下,空位掺杂后的晶胞体积略大于替位掺杂后的SnO2,对光的能量损耗也比替位掺杂的低.对于Cu、S共掺的体系,计算表明:每个Cu原子的掺入将产生0.46μB的磁矩,而一个S原子将引入0.36μB的磁矩,Cu原子周围的O原子也对磁矩有一定的贡献.经过分析,发现体系的磁性来源主要是Cu-3d和S-3p,以及Cu-3 d与O-2 p间的强烈耦合作用.     

Er3+/Ni2+共掺双相微晶玻璃的结构与发光性能研究

采用熔融法制备了Er3+/Ni2+共掺含GdF3与Ga2O3双晶化相透明微晶玻璃.X射线粉末衍射(XRD)和透射电子显微(TEM)分析表明,平均粒径为34 nm的六方相GdF3和9 nm的立方相Ga2O3晶粒在玻璃基体中均匀分布.吸收与荧光光谱结果显示,EF3+位于GdF3纳米晶,Ni2+选择性地进入Ga2O3纳米晶.受益于此,在976 nm激光激发下,透明微晶玻璃具有覆盖1050 ～ 1600 nm波段的宽近红外发射带,由位于1210 nm的Ni2+∶3T2(F)→3A2(F)跃迁转变和位于1530 nm的Er3+∶4I13/2→4I15/2跃迁转变组成.     

Na+掺杂KLaF4∶Er3+/yb3+纳米晶上转换发光性能的研究

采用水热法,以乙二胺为络合剂合成了Na+离子掺杂的六方相KLaF4∶Er3+/yb3纳米晶.利用X射线衍射谱(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、红外光谱(FT-IR)对样品的晶体结构、形貌和表面吸附进行了表征;测量了不同含量Na+掺杂样品在980 nm近红外光激发下的上转换发射光谱和4R/2能级的荧光寿命.结果表明:随着Na+掺杂浓度的增加,KLaF4∶Er3+/yb3+纳米晶上转换红绿光的发光强度均呈现出先增大后减小的趋势,红绿光发射最强强度分别为未掺Na+样品的7.3倍和5.2倍.Na+掺杂使Er3+离子周围晶场的不对称性降低和纳米晶表面吸附基团的减少是发光增强的主要原因.针对Na+掺杂样品的荧光寿命低于未掺样品的原因作了简要讨论.     

Er:GaN微纳米晶发光性能研究

采用溶液化学方法制备了Er3+掺杂浓度为1at%的Er∶GaN微纳米晶材料。对退火前后材料的结构、形貌和发光性能进行了表征。结果表明:Er∶GaN微纳米晶样品为纯的六方GaN相。退火后出现晶粒长大现象,且氧含量降低,微纳米晶的结晶质量变好。退火处理后出现了Er3+相关的524 nm和547 nm的绿光峰,660 nm的红光峰。在980 nm激发下,在Yb,Er∶GaN微纳米晶样品中实现了上转换荧光发射,并观察到了和Er∶GaN微纳米晶相同的发光峰。     

Er-doped hydrogenated amorphous silicon: structural and optical properties

The effect of erbium-doping on the structural and optical properties of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) is investigated. Optical absorption and Raman spectra indicate that erbium doping introduces defect states, and that above a concentration of 0.27 at.%, induces strong structural disorder. The photoluminescence measurements show that erbium doping introduces non-radiative decay paths for carriers in a-Si:H, leading to decrease in both the Er³⁺ and intrinsic a-Si:H luminescence intensity when the Er concentration is increased to more than 0.04 at.%. The results are compared to that of Er-doped crystalline Si, and the possible excitation mechanisms of Er in a-Si:H are discussed.     

P型微晶硅氧薄膜光电性能研究

本工作采用甚高频等离子体化学气相沉积(VHF-PECVD)技术制备了P型微晶硅氧窗口层薄膜,讨论了P型微晶硅氧的光电特性随硼烷掺杂率的变化.采用紫外-可见透射光谱,拉曼光谱,傅立叶变换红外吸收光谱(FTIR),暗电导测量对薄膜的光电特性进行了表征.结果表明,P型微晶硅氧材料均表现为微晶态,随着硼烷掺杂率增加,晶化程度逐步降低,暗电导率快速减小,光学带隙持续降低.该结果可归因于硼烷掺杂的增加抑制晶化使得非晶成分增多,有效掺杂率降低导致薄膜电导率下降,另一方面,对硅氧物相分离的阻碍作用导致薄膜带隙下降.硼烷掺杂率为0.4;样品的电导率高达0.158 S/cm且光学带隙为2.2 eV,兼具高透射性和良好电导率,可作为高效硅基太阳电池的窗口层.     

Zn掺杂纤锌矿CdSe电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用密度泛函理论中的广义梯度近似平面波超软赝势方法,计算研究了不同浓度Zn原子掺杂纤锌矿结构CdSe的电子与光学性质.结果显示:随着Zn掺杂浓度的升高,纤锌矿Cd1-xZnxSe的体积在减小,形成能降低,掺杂越容易,稳定性变高;Zn掺杂引起导带底向高能方向移动,禁带宽度逐渐增加;掺杂后形成的Zn-Se键具有更大的密立根重叠布居数,表现出更强的共价性;体系的直接带隙宽度增加,导致光电子跃迁峰向高能方向发生蓝移;在紫外光区9.75eV左右,掺杂体系的吸收强度达到最大,能量损失最小.     

不同Yb掺质浓度的Yb:Y3Al5O12晶体激光性能的比较

采用提拉法生长了Yb3+掺质浓度为5;原子分数、 50;原子分数和100;原子分数的Yb:Y3Al5O12(Yb: YAG)晶体,系统地分析了不同Yb3+掺质浓度晶体的吸收光谱和荧光光谱.从吸收峰和吸收系数可以看出采用940nm LD泵浦三种不同浓度的Yb:YAG晶体都比较合适.随着Yb3+离子掺质浓度的增高,晶体中出现的自吸收现象越为明显.通过对三种不同Yb掺质浓度晶体激光性能参数的计算,得出高掺质浓度Yb:YAG和YbAG晶体是有前景的激光增益介质.     

低表面浓度磷掺杂的高方阻P-N结发射极制备工艺

制备P-N结发射极的常规扩散工艺主要包括预淀积和高温推阱两个步骤。本文采用在高温推阱之后施加一步保温过程的工艺方案,在p型多晶硅片上制备了低表面浓度磷掺杂的高方阻发射极,研究了不同保温温度对P-N结发射极的方阻和磷原子掺杂分布的影响。结果表明,当完成高温推阱后,在650~750 ℃温度范围内施加保温工艺所得P-N结的方阻值反向升高,同时二次离子质谱(SIMS)测试结果表明,硅片表层区域的磷原子掺杂浓度相应降低。与常规扩散工艺相比,采用在700 ℃下保温15 min时所得P-N结的方阻升高约3.2 Ω/□,所得相应太阳能电池光电转换效率E_ff达到18.69%,比产线工艺提高约0.23%。     

Experimental and numerical studies of Ar-laser-assisted Si doping of GaAs with SiBr4 by chemical beam epitaxy

Doping results from Ar⁺-laser-assisted chemical beam epitaxy with triethylgallium, tris(dimethylamino) arsenic and silicon tetrabromide as group-III, group-V and dopant precursors, respectively, are reported. Enhancements in the n-type doping concentration are observed with laser irradiation in the investigated substrate-temperature range 390 – 500°C. With a 300 W/cm² irradiation power density, an increase in the carrier concentration by 70 times is obtained at 390°C substrate temperature. A numerical model developed by us for epitaxial growth and doping with the above precursors is used to assess the contribution of laser-induced thermal heating to the observed doping increase. A reaction scheme for photo-induced decomposition of physisorbed silicon tetrabromide is proposed. A kinetic rate equation for the photolysis is derived and used to estimate the absorption cross section required to reproduce the observed concentration enhancements resulted from laser irradiation. The possibility is established that dramatic increases in carrier concentration at low growth temperatures are due to photolysis of physisorbed silicon tetrabromide.     

New description of structural disorder in silica glass

Structural changes in cristobalite and silica glass and melt are investigated at high temperatures by molecular dynamics simulations. The calculated interaction energies are analyzed employing a new method called ‘atomistic energy distribution analysis’. Each pair-interaction energy is divided into equal halves which are allocated to each atom. Therefore, each atom has the summed-up value (‘atomistic potential energy’) of half the pair-interaction energies. First, an analysis of atomistic energy distribution functions show a correspondence with structural changes such as α–β phase transition, cristobalite melting and glass transition of SiO₂, in harmony with the results obtained in our preceding study. Moreover, this study demonstrates the different roles of oxygen and silicon in terms of structural changes. Finally, newly defined order parameters offer the possibility of distinguishing structures resulting from different thermal histories through introduction of higher moments.     

不同位置Mg掺杂ZnO电荷转移和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论计算了本征氧化锌、6.25%Mg以及同位、邻位、间位12.5%Mg原子掺杂氧化锌晶体的几何结构、原子轨道电子布居、静电势和电子结构特征;探究了Mg原子掺杂对氧化锌能带结构、态密度以及对应的光学性质和电学性质的影响。结果表明Mg掺杂会导致氧化锌晶体的晶格体积变大,载流子迁移率降低和吸收边蓝移;邻位双原子掺杂(ZnO+2Mg-ac、ZnO+2Mg-ad)可以显著降低氧化锌的光吸收系数和反射率,提升对太阳光的透过率;Mg掺杂氧化锌晶体适用于制作高质量光学透射膜。