过渡金属掺杂MgH_2的结构和磁性的第一性原理研究

为研究过渡金属掺杂对氢化物铁磁性的影响,采用密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,以Mg H2为基本材料,以过渡金属(V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni)元素替代2×1×2超晶胞中的Mg原子建立掺杂模型Mg1-xMxH2(M=V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni),并计算模型自旋极化的磁性、能带结构和态密度等性质.结果表明:与Mg H2中的Mg—H键相比,过渡金属M(M=V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni)—H间的相互作用明显增强,造成Mg—H间强烈的离子键和部分共价键的相互作用随着过渡金属的掺杂而被削弱.掺杂体系中,V和Cr是受主杂质,而Mn、Co和Ni体系中,自旋极化率相对较低,且穿过费米能级的子带的斜率较低.研究表明过渡金属(V、Cr、Mn、Co和Ni)掺杂的Mg H2体系虽然可以导电,但电导率较小,具有比较稳定的半金属性.     

硅基过渡金属掺杂MSi12-(M=V,Cr,Mn)团簇的结构和性质

基于密度泛函理论结合粒子群优化算法程序卡利普索,对硅基过渡金属掺杂团簇MSi₁₂^-（M=V, Cr, Mn）的几何结构、电子和光谱特性、热力学性质进行系统研究.结果表明,MSi₁₂^-（M=V, Cr, Mn）团簇的基态结构为M位于中心的鼓状高对称性(D_3d,D_3d和C_2h点群对称)结构.基于该基态结构,讨论了体系的分子轨道、电荷转移和极化率等电子特性.此外,拟合出了体系的光电子能谱、红外和拉曼光谱,对主要特征峰进行了归属分析.最后,分析了体系的热力学性质.以期该研究能为过渡金属掺杂硅基纳米材料的实验制备和表征提供重要理论参考.     

过渡金属掺杂CuGaS2的磁学性质

应用基于自旋极化的第一性原理系统地对3d过渡金属(TM=V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni)掺杂CuGaS2的磁学性质进行理论计算.通过对过渡金属对CuGaS2掺杂,在铁磁状态下取代不同离子(Cu和Ga)结合能的比较,我们发现:过渡金属在CuGaS2中比较容易占据Ga的位置.通过对稀磁半导体(DMS)磁性稳定性的研究,可以发现到:在Cr、Mn掺杂的CuGaS2中,DMS表现为铁磁状态,其居里温度将可能高于(Ga,Mn)As,其他过渡金属掺杂时,DMS则表现为反铁磁状态.并验算了一条判断DMS磁性状态的简单规律.     

Ti,Mn,Fe掺杂的GaN纳米管的电子结构及磁学性质

采用基于自旋极化密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,结合广义梯度近似(GGA)研究了3d过渡金属(TM=Ti,Mn,Fe)掺杂的zigzag型单壁GaN纳米管的电子结构及磁学性质.结果表明,Ti,Mn掺杂的GaN纳米管呈现反铁磁性,而Fe掺杂的单壁GaN纳米管则表现出铁磁性.同时从态密度的分析可以看出,过渡金属的3d电子与跟它最近邻的N原子的2p电子具有强烈的杂化作用,这是体系具有磁性的原因.     

V,Cr掺杂CdSe铁磁半导体的电子能态密度和半金属性质研究

在共轭梯度近似(GGA)下,采用第一性原理平面波赝势方法,对V和Cr掺杂闪锌矿CdSe半导体的基态电子能态密度和磁性进行了研究.结果表明,掺入磁性过渡金属V和Cr后的CdSe明显具有铁磁性,每个超晶胞的总磁矩为3.0和4.0μB,而且呈现出显著的半金属特征.这对在半导体工业中实现自旋载流子注入具有一定的理论价值.     

Cu/N共掺杂ZnS电子结构和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超软赝势方法,计算了本征ZnS、N单掺杂、Cu-N共掺杂与Cu-2N共掺杂ZnS晶体的能带结构、电子态密度与光学性质.结果表明,Cu/N共掺杂体系降低了体系的带隙,增加了其光催化活性.对于Cu-2N掺杂,分析其态密度,发现共掺杂体系的总态密度在费米能级附近更加弥散,更多的态密度穿越费米能级,使共掺杂更容易获得p-型ZnS,同时费米能级附近的杂质态降低了跃迁能,使得共掺杂体系能有效提高其在可见光区的吸收系数.     

Cr、Mn掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势的方法,研究了纯锐钛矿相TiO2、Cr、Mn单掺杂TiO2的能带结构、电荷布居、态密度和光学性质.对电子性质分析发现:Mn掺杂引起杂质能带位于禁带中央,杂质能带最高点与导带相距大约0.6 eV,而最低点与价带相距大约0.65 eV,其中杂质能带主要由O原子的2p轨道和Mn原子的3d轨...     

Ge_(12) TM团簇的几何结构和电子特性的研究

基于全电子的密度泛函理论对Ge_(12)TM(TM=Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn)团簇基态结构和电子性质进行了系统地研究,分析和讨论了基态结构的稳定性、电子特性及磁特性。研究结果表明:随着3d过渡金属原子序数的增加,过渡金属原子趋于占据Ge_(12)笼的中心位置;计算得到了Ge_(12)Mn团簇的新的稳态构型;Ge_(12)Ni相对于其他原子掺杂的团簇具有较强的结构稳定性;在磁性方面,Ti,Cr,Fe,Ni,Zn发生了自旋磁矩的淬灭,自旋磁矩变为零,Sc,V,Mn,Co,Cu原子仍具有磁性,其中Mn原子的磁性最强,约为2μB,这些原子相对应的团簇的自旋磁矩都相同皆为1μB。     

MSn10(M=Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni)团簇的稳定性和磁性研究

采用密度泛函理论(density functional theory,DFT)中的广义梯度近似(generalized gradient approximation,GGA)对Sn11团簇的4种同分异构体(对称性分别为D5h,D5d,D4h,D4d)的几何结构、电子结构计算研究,得出对称性为D5d的团簇最稳定.将Sn11团簇的中心原子替换成过渡金属原子成为MSn10(M=Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni)团簇,对其稳定性和磁性进行了分析.在Sn11团簇中将中心原子替换成过渡金属原子后,束缚能都变小了,说明过渡金属原子的替换提高了原锡团簇的稳定性,其中NiSn10团簇的束缚能最小,稳定性最强.过渡金属原子都具有一定的磁性,当把这些原子掺入锡团簇后,过渡金属原子的磁性都有所减弱,其中MSn10(M=Sc,Ti,V,Ni)团簇的磁性完全消失,其原因在于掺杂后,团簇中各原子的电荷分布发生了变化.     

MSn_（10）（M=Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni）团簇的稳定性和磁性研究

采用密度泛函理论（density functional theory,DFT）中的广义梯度近似（generalized gradient approximation,GGA）对Sn11团簇的4种同分异构体（对称性分别为D5h,D5d,D4h,D4d）的几何结构、电子结构计算研究,得出对称性为D5d的团簇最稳定.将Sn11团簇的中心原子替换成过渡金属原子成为MSn10（M=Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni）团簇,对其稳定性和磁性进行了分析.在Sn11团簇中将中心原子替换成过渡金属原子后,束缚能都变小了,说明过渡金属原子的替换提高了原锡团簇的稳定性,其中NiSn10团簇的束缚能最小,稳定性最强.过渡金属原子都具有一定的磁性,当把这些原子掺入锡团簇后,过渡金属原子的磁性都有所减弱,其中MSn10（M=Sc,Ti,V,Ni）团簇的磁性完全消失,其原因在于掺杂后,团簇中各原子的电荷分布发生了变化.     

表面修饰调控单层ZnS电子结构和光学性质

为了研究H,F修饰单层ZnS对其电子结构和光学性质的影响,建立了H修饰、F修饰以及H-F共同修饰单层ZnS晶体结构。采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了各二维材料的晶体结构、稳定性、电子结构和光学性质。计算结果表明,单层ZnS是一种准平面结构,经过修饰后则转变为褶皱六元环结构,且修饰后的ZnS具有很好的稳定性。电子结构表明,单层ZnS是一种直接带隙半导体,其计算能隙为2.625eV,H修饰ZnS会导致其能隙增大,且转变为间接带隙半导体,F修饰和H-F共修饰则使得ZnS能隙不同程度减小。载流子有效质量结果显示,单层ZnS为轻空穴重电子型半导体,H或F修饰会导致半导体的空穴有效质量显著增大,电子有效质量的变化则相对较小。光学性质表明,H,F修饰会导致ZnS的吸收边发生蓝移,其中F修饰,H-F共修饰(H与Zn同侧,F与S同侧)ZnS对短中波紫外线的吸收效果明显增强,表明其在未来光电子领域有着广阔的应用前景。     

Cu掺杂ZnS纳米线结构和磁性质

本文采用第一性原理密度泛函理论系统地研究了Cu原子掺杂ZnS纳米线的结构、电子性质和磁性质.所有掺杂纳米线的形成能比纯纳米线的形成能低,说明掺杂过程是放热的.并且Cu原子趋于替代纳米线的表面的Zn原子.电子结构显示Cu掺杂纳米线是半金属铁磁半导体材料,在自旋电子学方面有重要应用.     

含V^2＋离子ZnX（X=S,Se,Te）晶体光谱研究

采用一种适用于共价晶体的含双共价因子（即Ｎｔ≠Ｎｅ）的能量矩阵计算方法，研究了Ｖ＾２＋离子在ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ系列中的光谱，从中可看出一些有趣的趋势，并对结果进行了讨论。     

Zr 掺杂对锐钛矿型TiO2 电子结构和光学性质的影响

本文采用密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了Zr 掺杂对锐钛矿型TiO₂ 电子结构和光学性质的影响, 计算了Zr 掺杂前后锐钛矿型TiO₂ 的电子态密度分布、能带结构、光吸收系数等性质, 定性地分析了掺杂前后电子结构和光学性质的变化. 研究结果表明: Zr 掺杂锐钛矿型TiO₂, 导致带隙减小, 掺杂后在360~400nm 附近的光吸收系数增大, TiO₂ 的吸收带产生红移, 增强了TiO₂ 的光催化活性, 理论与实验结果 一致.     

N,F和S掺杂对TiO_2电子结构与光学性质的影响

基于第一性原理的计算方法研究了掺杂N,F,S的锐钛矿相TiO2的晶体结构、电子结构及光学性质。计算结果表明掺杂后晶格发生了变化,同时导带位置下移导致了TiO2的禁带宽度变小。S掺杂使TiO2在紫外光区和可见光区有更强的光吸收特性。     

掺杂和应变对硅纳米线电子结构与光学性质的调制影响

为了研究掺杂和应变对[111]晶向硅纳米线的电子结构与光学性质的调制影响,基于密度泛函理论体系下的广义梯度近似(general gradient approximation,GGA),采用第一性原理方法开展了相关计算。能带计算表明：空位掺杂和元素掺杂均引入杂质能级,形成了N型和P型半导体材料。单轴应变则进一步减小了带隙,增强了掺杂硅纳米线的导电性,但由于应变也修饰了费米面附近能级的形貌,能带曲率突变影响了体系的导电性能。光学性质计算表明：相比于空位掺杂,元素掺杂更有效地改变了SiNWs的介电函数、吸收系数、折射率与反射率等光学参数,而单轴应变则削弱了元素掺杂的影响。拉应变提升了光吸收的范围和强度,尤其是可见光波段,使掺杂硅纳米线成为优质光伏材料,压应变则降低了对紫外光波段的吸收效率。在紫外区域,拉应变和压应变对掺杂硅纳米线的折射率与反射率的影响相反,在红外和可见光区域影响则一致。本文研究结果为基于应变和掺杂硅纳米线的光电器件设计与应用提供一定的理论参考。     

Theoretical investigation of Ag_n@(ZnS)_(42)(n=6-16) using first principles:Structural,electronic and optical properties

Ag@ZnS nanoparticles display enhanced photocatalytic efficiency and good photoelectric properties compared to their single-component counterparts in the process of forming a core-shell structure using an Ag cluster as the inner core of a ZnS outer shell.In this study,first-principles calculations were used to investigate the structural,electronic,and optical properties of Ag_n@(ZnS)_(42)(n=6-16)core-shell nanocomposites.The calculated results show significant even-odd oscillations in the structural stability,that is,Ag@ZnS nanostructures with an even number of Ag_n core atoms are relatively more stable than those with an odd number of core atoms.The secondorder differences in the total energies(Δ_2E)and the core-shell interaction energy E_(cs) indicate that a Ag_(12)@(ZnS)_(42)nanostructure is the most stable configuration.A significant red shift was found in Ag_n@(ZnS)_(42)nanoparticles in the absorption spectrum compared with a(ZnS)_(48) nanostructure,which is likely attributed to the strong electron interactions between the Ag core and the ZnS shell.     

非磁性/磁性掺杂剂对SnO2体系的性能调控

本文通过第一性原理计算在GGA + U 框架下系统地研究了非磁性掺杂剂(Li)和磁性掺杂剂(V)以及相应的点缺陷(VO/VSn)掺杂SnO2基稀磁半导体(DMS)的稳定性、电子结构、键合性质、磁性以及光学性质. 计算得到的形成能结果表明, V元素单掺杂体系比Li元素单掺杂体系更稳定. 其中, VO存在的掺杂体系稳定性更高, 而VSn对掺杂体系的稳定性不利. 磁性分析表明, Li掺杂体系的磁矩大于V掺杂体系的磁矩. 当有点缺陷存在时, VSn的加入显著提高了掺杂体系的磁性, 而VO对非磁性金属元素/磁性金属元素掺杂体系的磁性影响不同：当VO存在于Li掺杂体系时, Li原子周围的O原子自旋极化减少, 因此导致磁矩降低;当V掺杂体系中有VO存在, 磁性不仅来源于V原子的自旋极化, 同时来源于VO周围的O原子的自旋极化,因此磁矩增大. 结合电子结构分析可知, Li掺杂体系的磁性是由O-p和Li-p轨道之间的双交换作用产生的, V掺杂体系的磁性是由O-p和V-d轨道之间的双交换作用产生的. 键合分析发现VO的存在可以提高两种金属掺杂体系键(Li-O和V-O)的共价性. 在可见光区域内, Sn15LiO32和Sn15VO32具有较高的光学透明度. 以上这些结果为非磁性金属元素(Li)和磁性金属元素(V)及相应的点缺陷(VO/VSn)掺杂SnO2在自旋电子器件中的应用提供了新的思路.     

Mn掺杂GaSb的电子结构和光学性质

采用第一性原理方法,交换关联泛函采用局域密度近似,并对计算体系电子的库仑能进行了修正,即采用LDA+U的方法计算研究了Mn掺杂GaSb半导体材料的能带结构和光学性质.研究结果表明:Mn掺杂GaSb体系(Mn-GaSb)的光学性质得到了有效改善,大大提升了对红外光区、远红外光区光子的吸收幅度,其中Mn替代Ga(Mn@Ga...