替代元素对光催化半导体Cu2ZnSnS4能带结构优化的第一性原理研究

【目的】为了增加Cu2ZnSnS4价带顶和导带底与水的氧化还原势之间的能量差,使催化反应具有更多的驱动力。【方法】利用第一性原理计算,对Cu2ZnSnS4电子结构进行分析。【结果】Ag掺入Cu位能够降低其价带顶而不改变导带底位置,而Ge掺入Sn位能够提升其导带底而不改变价带顶位置。【结论】通过优化(Cu1-xAgx)2Zn(Sn1-yGey)S4合金的配比,可使其达到光催化半导体最理想的能带结构。     

InVO4电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛涵理论的全势线性缀加平面波(FP-LAPW)方法计算光催化材料InVO4的电子结构和光学常数.电子结构计算表明:InVO4价带顶由O-2p、V-3d和In-3d轨道电子杂化构成,导带底则是V-3d和In-5s空轨道组成的杂化带.光学常数计算表明:光吸收强度曲线在4.2 eV处的突出峰源于价带顶的O-2p电子向导带底V-dz2和V-dxy轨道的跃迁,4.6～7.9 eV范围内的吸收峰则对应于价带顶的O-2p电子向导带底杂化带的跃迁;而高能区的光吸收是材料深能级电子跃迁的贡献.折射系数计算结果显示InVO4为各向异性材料;介电常数虚部和能量损失曲线则表明声子对光催化有重要影响.     

单轴应力锗能带结构研究

用形变势理论讨论了单轴〈001〉和〈110〉及〈111〉张/压应力对锗导带各能谷（？能谷、？能谷及L能谷）能级的影响,采用包含自旋-轨道互作用及应力在内的六带k.p微扰法建立了单轴张/压应力作用下锗的价带结构模型,分析了锗价带带边能级随应力的变化情况,获得了锗导带底能谷能级分裂值、价带带边能级分裂值以及禁带宽度随应力的变化关系.量化数据可为单轴应力锗器件及电路的研究与设计提供参考.     

二嵌段共聚物-(PPP)x-(PA)y-的态密度特征

在紧束缚近似的基础上，对均聚物－（PPP）x－（PA）y－以及二嵌段共聚物－（PPP）x－（PA）y－的态密度（DOS）进行了计算分析，发现共聚物的态密度与均聚物地态密度有着显著的区别，共聚物的带隙的大小介于大带隙的－（PPP）x－和小带隙的－（PA）y－之间，在共聚物中与－(PPP)x-的导带和价带的子带隙以有共聚物的导带底和价带顶中，所存在捅态密度只有由－（PA）y－来提供，而在共聚物的价带底和导带顶的能态密度则取决于－（PPP）x－的态密度。     

NiO的电子结构与热电性能的理论研究

采用密度泛函理论广义梯度近似第一性原理计算的方法研究了Ni O氧化物的电子结构,在此基础上分析了其热电性能。电子结构计算结果表明,Ni O氧化物存在着0.45e V的间接带隙,费米能级附近的状态密度较低。价带顶中的能带电子主要为p、d态电子,导带底中的能带电子主要为s、p态电子;O p态和Ni d态电子与O s、O p态和Ni s、Ni p态电子之间的跃迁形成载流子迁移过程。热电性能分析结果表明,价带顶的载流子迁移率较低,有效质量较大;导带底的载流子迁移率较高,有效质量较小;纯的Ni O氧化物的导电性较差,但其Seebeck系数较高,具有一定的热电性能。     

聚乙炔嘧啶长链分子的π电子能谱研究

本文把原子轨道线性组合的分子轨道法(LCAO—MO方法)推广到长共轭键链高分子,计算了聚乙炔嘧啶的π电子能谱和导带底、价带顶的电子、空穴的有效质量。     

掺杂与应力对ZrO2薄膜电子结构和光学性质的影响

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法系统地研究了掺杂和应力对ZrO_2薄膜的电子结构与光学性质的影响.本文首先研究了Hf原子替代掺杂对ZrO_2薄膜物性的影响,研究结果表明,Hf原子掺杂减小了ZrO_2薄膜的带隙和态密度大小,可在一定程度上降低其表面缺陷电荷和漏电流.掺杂Hf原子后介电峰和吸收峰的值明显下降,同时介电峰和吸收峰的波形均出现了窄化现象,半高宽显著减小.本文也着重研究了不同应力下四方晶相ZrO_2薄膜物理性质变化及规律.研究发现压应力显著调控了ZrO_2薄膜的带隙以及价带顶和导带底附近的能带结构.施加应力后吸收峰的吸收范围和强度均显著增大,峰值对应的光子能量蓝移则表明对紫外光的吸收随着应力的增加有所增强.在低能量红外和可见光区域,施加压应力后ZrO_2薄膜的折射率变大,但在紫外线区域,压应力使ZrO_2薄膜的折射率呈现出先增大后减小的波动特性.上述研究结果为ZrO_2薄膜材料的设计与应用提供了理论依据.     

ZnOS三元合金晶体结构与电子性质的第一性原理研究

采用基于第一性原理的密度泛函理论下的VASP软件包详细研究了三元合金ZnO1-xSx的晶格常数、体积、总能、电子性质以及能带弯曲因子随S组分x的变化关系,并计算了三元合金的带隙弯曲参数.采用AM05XC泛函对结构参数进行优化,带隙修正采用了LDA-1/2的计算方法.结果表明:随着S浓度x的增加,三元合金ZnO1-xSx的晶格常数、体积、总能量均呈现出线性递增的关系,而禁带宽度以及价带宽度出现弯曲性质,这跟三元合金ZnO1-xSx的固溶度相关.从导带底到价带顶的光跃迁出现在Γ点,影响价带顶和导带底的价电子分别是S的3p态和Zn的4S态.     

N型简并锗中杂质协助的间接光跃迁

N型简并锗中杂质协助的间接光跃迁是个二级过程.价带顶附近的电子先受光的激发跃迁到导带的(0,0,0)谷,然后受杂质近程场的散射转入导带底.利用二级微扰理论计算了这种过程对光吸收系数的贡献.能说明不同的施主杂质的贡献是不同的,砷比磷的大.     

Cu掺杂ZnS的第一性原理计算

采用第一性原理的平面波赝势方法和广义梯度近似,研究了闪锌矿ZnS掺杂Cu前后的电子结构和光学性质。通过对掺杂前后电子能带结构,态密度以及分态密度的计算和比较,发现引入杂质Cu后,在价带顶Cu3d态与S3p态发生p-d排斥,造成价带顶向高能端移动;在导带底Zn4s与Cu3p相互重叠,发生杂化,引起导带向低能端偏移,两方面的作用使得ZnS的带隙变小。掺Cu后ZnS的光吸收向低能端扩展,并且在可见光区生成新的吸收峰。     

可见光响应复合金属氧化物光催化剂的分子设计

本文基于密度泛函理论的第一性原理,利用模拟软件materials studio(MS)中Castep模块,研究了锐钛相TiO2晶体的几何结构、能带结构、电子密度,以及不同金属掺杂对TiO2晶体几何结构和电子结构的影响.计算得到的能带结构和态密度等数据结果标明:掺杂离子的能级位置对TiO2的可见光吸收效率有重要影响.当掺杂金属在其价带顶或导带底附近产生新的"杂质能级",可以拓宽TiO2对可见光的吸收范围,并增强吸收强度,进而认为,Bi的掺杂是较好的研究方向.     

Cu_2O电子结构与光学性质的第一性原理研究

采用基于第一性原理的密度泛函理论计算,系统研究了块体Cu_2O的电子结构和光学性质.结果表明,块体Cu_2O为直接带隙半导体,最小禁带宽度为0.52e V;其价带顶主要Cu-3d态电子和O-2p态电子构成,而导带底则主要由Cu-4p态电子和O-2p态电子共同决定;块体Cu_2O的静态介电常数为8.27,光吸收系数最大峰值1.83×105cm-1,研究结果为Cu_2O在光电器件方面的应用提供了理论基础.     

Mg掺杂ZnSe电子结构与光学性质的第一性原理研究

采用密度泛函理论下的第一性原理平面波赝势方法,结合广义梯度近似,对Mg掺杂闪锌矿Zn Se的MgxZn1-xSe电子结构和光学性质进行了研究.结果表明:MgxZn1-xSe是一种直接带隙半导体,其价带顶主要由Se-4p态电子构成,位置基本保持不变;导带底主要由Se-4s态电子和Zn-4s态电子共同决定,并且随着掺杂浓度的增大向高能区方向移动,其能隙宽度随掺杂量的增大而变宽,吸收光谱出现蓝移,计算结果与现有文献符合得很好.     

轻稀土掺杂TiO_2(101)面的电子结构和光学性质的理论研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了轻稀土掺杂TiO_2(101)面的电子结构和光学性质,并讨论了其内部的微观机制.研究结果表明:稀土掺杂TiO_2(101)面时,掺杂原子诱导掺杂体系的价带顶和导带底出现了显著的不对称,掺杂体系形成了兼并型的P型或N型半导体.掺杂体系的价带和导带出现了明显的移动,平均带隙相比未掺杂体系均出现了不同程度的增加,但是在带隙中出现了浅杂质能级.稀土原子替代O原子或以插入原子形成掺杂体系的光吸收强度明显高于稀土原子替代Ti原子形成的掺杂体系.La@O13体系和Ce@O13体系的光吸收能力最强,其可以归因于净磁矩的产生和浅杂质能级的形成,从而致使电子空穴对的产生和分离,进一步提高了掺杂体系在可见光区域的光催化吸收强度.研究结果可为二氧化钛在光电子器件领域的应用开发提供有益的理论依据.     

非极性晶体中的声学形变势激子

本文采用顾世洧研究激子所采用的方法,研究了非极性晶体中纵声学振动通过形变势对激子性质的影响。在忽略反冲效应中虚声子间的相互作用的近似下,导出了激子的基态能量,有效质量,约化质量和内部势能。发现激子的自能与晶体中电子和空穴的质量比以及导带底和价带顶的形变势常数有关,并且就几种特殊情况作了讨论。     

ZnO_(1-x)R_x(R=S,Se,Te)电子结构与光学性质的第一性原理研究

基于第一性原理平面波超软赝势方法,研究了三元合金ZnO_(1-x)R_x(R=S,Se,Te)的晶体结构和电子结构随R组分x的变化关系.并计算了ZnO1-xSx合金的吸收系数、能量损失等光学性质随组分x的变化关系.结果表明,随着掺杂浓度x的增加,ZnO_(1-x)R_x的晶格常数呈近似线性递增.且禁带宽度出现弯曲,这跟三元合金ZnO_(1-x)R_x的固溶度相关.三元合金ZnO_(1-x)R_x从导带底到价带顶的光跃迁出现在Γ点,价带顶的贡献主要来自于S-3p、Se-4p和Te-5p态的电子,而导带底的价电子则是Zn的4s态.与纯净ZnO相比,光学性质中的介电函数、能量损失都是随S组分的掺入向低能方向移动,且最大峰值随S浓度的增加而增大.     

AlN能带及态密度的密度泛函理论研究

文章采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势法计算了A lN晶体的能带结构和态密度曲线。研究表明,A lN的价带由-15.3eV－-12.3eV的下价带和-6.2eV－0eV的上价带区组成,价带顶出现三个子带：简并的重空穴、轻空穴和自旋-轨道耦合所分裂出来的劈裂带（距带顶0.2eV）;导带主要是由A l的3s、3p态电子和N的2p态电子构成的;理论预测A lN价带空穴具有大的有效质量;A lN是一种直接宽禁带半导体,带隙为4.7eV,比较起来该结果优于一些文献中的计算值。     

SnO2薄膜与n-SnO2/p-Si异质结光电特性的研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,建立SnO2超晶胞模型并进行几何结构优化,对其能带结构进行了模拟计算．结果显示,导带底和价带顶位于G点处,表明SnO2是一种直接带隙半导体．同时,采用脉冲激光沉积法分别在蓝宝石衬底和Si衬底上制备出SnO2薄膜及n-SnO2/p-Si异质结．扫描电镜结果表明,SnO2薄膜晶粒均匀．霍尔测试结果表明,SnO2薄膜载流子浓度高达1.39X1020cm-3．吸收谱测试表明,SnO2薄膜光学带隙为3.37eV．n-SnO2/p-Si异质结的I-V曲线显示出其良好的整流特性．     

常压下Se和Te电子结构和弹性性质的第一性原理计算

利用基于密度泛函的第一性原理, 计算ⅥA族元素Se和Te在常压下的能带结构、 电子态密度、 弹性系数和德拜温度. 能带结构和电子态密度的计算结果表明: Se为间接带隙半导体,  Se费米面附近的导带和价带主要来自外层4p⁴电子的贡献, 4s²电子对费米面附近的导带和价带贡献较少; Te为直接带隙半导体, Te费米面附近的导带和价带主要来自外层5p⁴电子的贡献, 5s²电子对费米面附近的导带和价带贡献较少.  弹性系数计算结果表明: 常压下具有六角结构的Se和Te的力学性质稳定;  其德拜温度分别为263 K和315 K.      

表面缺陷对CdS(100)面能带排列影响的理论研究

采用基于第一性原理的方法，研究了表面空位缺陷（Cd、S空位）对CdS(100)面能带排列的影响．对空位缺陷体系的几何结构进行优化，发现Cd、S空位的引入分别会产生负电荷中心和正电荷中心，从而引起缺陷周围原子的结构发生弛豫．一定程度的晶格结构扭曲将有利于光生载流子在表面的定域，从而促进光生电荷的分离．另外，能带位置计算结果表明，Cd空位的存在会引起CdS(100)面的价带顶位置下移，导带底位置上移，从而禁带宽度变宽．但是，S空位的引入会导致能带位置呈现出相反的变化趋势，从而禁带宽度变窄．因此，形成S空位缺陷不仅可以提高光生载流子的分离，而且可以有效拓宽CdS对可见光的吸收范围，从而改善其光催化活性．