Cu-Cd共掺杂ZnO电子结构与光学性质的第一性原理计算与分析

基于密度泛函理论系统下的第一性原理,对纯ZnO,Cd掺杂ZnO,Cu掺杂ZnO,Cu-Cd共掺杂以及Cu-2Cd共掺杂ZnO五个超晶胞模型分别进行几何结构优化;计算和分析了各体系的晶胞结构,能带结构,态密度以及光学性质方面的介电函数虚部,吸收率和反射率.研究结果表明:Cu,Cd单掺杂可提高ZnO的载流子浓度,改善ZnO的导电性;但Cu和Cd共掺杂ZnO时,体系的E更低,状态更加稳定.光学性质方面:Cd掺杂时,紫外区边发生红移,吸收系数略增大;当Cu单掺以及Cu和Cd共掺杂ZnO,体系在可见光和紫外波段吸收系数明显增大,使得ZnO光催化性能提升;结合Cu和Cd单掺杂的特性,说明当Cu和Cd共掺杂ZnO时,控制Cd的掺杂浓度,半导体会产生不同的透光率,因此控制Cu-Cd的比率来掺杂ZnO可用于制作不同效率的光透性器件.     

Cu掺杂ZnO电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法,研究了Cu掺杂纤锌矿ZnO体系的电子结构和光学性质.计算结果表明,当Cu掺杂的原子百分比为4.17%时体系的光学吸收性能最好,且在可见光区出现了新的吸收峰.电子结构的分析表明,Cu的引入可以在体系的费米能级引入由Cu-3d电子和O-2p电子相互作用形成的杂质能级,价电子由eg能级向tg能级跃迁吸收的最小光子能量约为0.12 e V,这使得Cu掺杂的ZnO体系的光学吸收边落在了红外光区,同时杂质能级的出现降低了ZnO体系的禁带宽度,提升了ZnO半导体材料对长波光子的响应并有效改善ZnO半导体的光催化活性.     

钛掺杂对纳米硅晶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方法计算了钛(Ti)掺杂纳米Si晶的形成能、电子结构和光学性质,考虑了Ti占据替代和间隙不同位置的构型特点.结果表明:所有的掺杂结构都是不稳定的,中心四面体间隙Ti掺杂纳米硅晶最接近稳定结构.Ti 3d态分裂为t_(2g)和e_g态.对于Ti替代掺杂,e_g在带隙中提供一个空带,不能产生受体态;对于四面体间隙Ti掺杂,部分填充的t2g态出现在带隙中,其形成的杂质能级可满足杂质带材料的要求.由间隙Ti掺杂Si纳米晶的介电函数虚部和光吸收系数可知,Ti的掺入可增强对太阳光谱的吸收强度.     

N/Zr共掺杂锐钛矿型TiO_2光催化协同作用机制的第一性原理研究

采用平面波超软赝势法计算了N,Zr单掺杂和共掺杂锐钛矿型TiO2的电子结构和光学性质.根据能量最低原理比较了不同替位掺杂构型的最稳定结构,而后分析单、共掺杂构型中各自的能带结构,通过计算态密度及分波态密度分析了其光学性质改善机制.此外通过分析体系的电荷密度图得出N与Zr有团簇成键的趋势.对不同掺杂体系的光学性质进行了对比分析,发现共掺杂方法可以有效增强TiO2材料对可见光的吸收以促进其更好的利用太阳能.本文的理论计算和分析将有助于理解共掺杂方法提高TiO2光催化效应的协同作用机制.     

Mg掺杂GaN结构及电子结构的理论研究

采用基于密度泛函理论的赝势平面波方法研究了金属元素Mg掺杂GaN的结构及电子结构性质.计算金属Mg分别替换Ga和N原子后体系的结合能,得到Mg原子更容易替换Ga原子,与他人的结果一致.掺杂后晶格常数a和c反而略有增大,并且高压下的情况是类似的.Mg掺杂后GaN电子结构显示掺杂使得GaN带隙略有增加,压强从0增加到20GPa,掺杂前后带隙值分别增大约39.1%和38.4%.     

Mg掺杂GaN电子结构及光学性质的第一性原理研究

基于第一性原理的密度泛函理论,用广义梯度近似方法(GGA)计算了Mg掺杂纤锌矿GaN的电子结构和光学性质,分析了能带结构与电子态密度以及掺杂前后GaN体系的介电函数与能带结构之间的关系。计算结果表明掺有Mg的GaN晶体的晶格常数及禁带宽度增加,并在价带顶引入受主能级,通过对比分析掺杂前后GaN晶体的介电函数和光学吸收谱,解释了体系的发光机理,为GaN材料光电性能的进一步开发与应用提供了理论依据。     

Ⅳ族元素掺杂的α-Fe的第一性原理研究

采用基于自旋极化的密度泛函理论的第一性原理方法,使用超原胞模型对Ⅳ族元素掺杂的α-Fe体系α-Fe:X(X=C,Si,Ge)的电子结构和磁学性质进行了系统研究.计算得到了α-Fe体系掺杂前后的能带结构、电子态密度及电荷密度分布等.对计算结果的分析表明:C、Si元素的替位使原胞的体积有所减小,而Ge的替位则导致原胞体积的增大;C和Ge的替位使得电荷密度分布的方向性增强,预示着C和Ge与周围原子相互作用有比较明显的共价性,而Si的替位却对周围电荷密度的影响很小;掺杂时,各替位原子本身基本上都没有表现出磁性,而各Fe原子都保持有磁性,其磁矩都比纯α-Fe中的Fe原子略大.     

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.     

Eu掺杂MgO电子结构和光学性质的第一性原理研究

为探究稀土元素掺杂对金属氧化物MgO晶体材料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赝势平面波方法计算Eu原子掺杂MgO晶体的几何结构、能带结构、态密度和光学性质.计算结果表明:掺杂后体系的带隙宽度减小,费米面向导带偏移,属于直接禁带半导体.掺杂稀土元素对体系的静态介电常数、晶体反射率、光吸收系数、折射率和能量损失函数具有重要的调制作用.掺杂前后晶体的光学性质,包括晶体吸收系数、反射率、折射率和能量损失函数的曲线峰值均较掺杂前的峰值有所降低,且曲线整体有向低能方向移动的趋势.     

Co掺杂对Zn1-xCoxO稀磁半导体光学性质的影响

溶胶-凝胶法制备了Co掺杂的ZnO基稀磁半导体,研究其粉体和薄膜的结构和光学特性.X射线衍射结果表明Co2 随机替代Zn2 位置进入ZnO晶格,并引起晶格常数的变化.紫外-可见透射光谱表明样品的禁带宽度随着Co掺杂浓度的增大呈现非单调变化规律,低浓度掺杂样品的光学带隙随掺杂浓度增大而减小(红移),这是由于Co2 替代Zn2 ,局域d电子与能带电子之间的sp-d交换耦合引起的.     

Al和氧空位对ZnO:Co稀磁半导体磁性质的影响

利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了Al共掺杂和氧空位缺陷对Co掺杂ZnO磁性质的影响,发现Al原子共掺杂引入的自由电子载流子会稳定体系的反铁磁性从而减弱Co原子间的铁磁性交换,而氧空位缺陷束缚的电子载流子对提高体系的铁磁性具有积极的作用.氧空位引入的电子载流子部分转移到Co原子和近邻Zn原子,形成以电子载流子为媒介的Co原子间的耦合作用,稳定体系的铁磁态,增强Co原子间的交换耦合作用.     

掺杂硫化铅体系的电子性质研究

基于密度泛函理论和广义梯度近似,对掺杂PbS体系进行了电子性质的第一性原理计算. 首先,对恒定掺杂浓度(6.25%)时3种替换杂质(Cd、Sn、Sb)不同掺杂位置的形成能进行比较分析,得到了最稳定的掺杂结构. 然后,计算不同掺杂体系的能带结构,能带结构发生了平移,带隙随掺杂原子序数单调递减. 最后,研究掺杂前后光学性质,光学性质的显著变化出现在Sb掺杂的PbS体系中,主要包括介电光谱下杂质峰的出现、相关红移现象以及掺杂后吸收谱能带边缘的拓展. 同时,Cd掺杂PbS介电光谱的反射峰最小.     

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)缺陷对改善GaSb半导体材料的光学性能最为明显.Mn掺杂引入的杂质能级有效降低了掺杂体系的禁带宽度,Mn@Ga缺陷的引入增强了GaSb体系的电极化能力和对红外光区光子的吸收.Mn元素的掺入浓度及Mn元素的掺杂位置对Mn@Ga缺陷体系的光学性能均有影响,最佳Mn原子掺杂摩尔比为12.5%,此时Mn@Ga缺陷体系的光学吸收谱在红外光区的吸收幅度最大,同时均匀掺杂避免了光生电子-空穴对复合中心的形成,有效提高了GaSb半导体材料对红外区、远红外区光子的吸收转换效率和GaSb半导体材料的光催化性能.     

掺镁氧化锌薄膜结构及其光学性质的研究

以氧化镁(MgO)掺杂的氧化锌(ZnO)陶瓷靶作为溅射靶材,采用射频磁控溅射方法在玻璃衬底上制备了掺镁ZnO(ZnO:Mg)薄膜样品.通过X射线衍射仪和可见-紫外光分光光度计的测试表征,研究了溅射时间对ZnO:Mg薄膜晶体结构和光学性质的影响.结果表明:ZnO:Mg薄膜的结构和性能与溅射时间密切相关.随着溅射时间的增加,ZnO:Mg薄膜(002)晶面的织构系数减小、(110)晶面的织构系数增大,对应的可见光波段的平均透过率降低.溅射时间为15 min时,ZnO:Mg薄膜样品具有最佳的(002)择优取向生长特性和最好的透光性能.同时ZnO:Mg薄膜样品的禁带宽度随溅射时间增加而单调增大.与未掺杂ZnO薄膜相比,所有ZnO:Mg薄膜样品的禁带宽度均变宽.     

Cu/Al共掺ZnO光学性质的第一性原理计算

利用Material Studio2017软件中基于密度泛函理论的CASTEP模块,仿真建立2×2×2的ZnO超晶胞,在相同情况下用不同比例的Cu/Al(Cu-Al、2Cu-Al和Cu-2Al)替换超晶胞中的Zn原子,得到Zn_1－x－yCu_xAl_yO体系,对本征ZnO和各掺杂体系ZnO的电子结构和光学性质进行了第一性原理计算.结果表明:上述各掺杂体系在低能区的光吸收均发生红移,体系为简并半导体.可针对ZnO的不同用途,通过控制Cu/Al掺杂比来提高该体系在可见光范围内的光吸收或光透射.在可见光范围内,Zn_{0.812 5}Cu_0.125Al_{0.062 5}O体系的光吸收最强,可用于制作太阳能电池板的光电极材料等;Zn_{0.812 5}Cu_{0.062 5}Al_0.125O体系的透光率高,可用于制作高透光ZnO半导体薄膜.     

K掺杂β-BaCu_2S_2电子结构和光学性质的第一性原理研究

为探究K掺杂对β-BaCu_2S_2晶体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赝势平面波理论方法,对不同K掺杂比例β-BaCu_2S_2的电子结构和光学性质进行理论计算和分析.计算结果表明:β-BaCu_2S_2是一种直接带隙半导体,带隙值为0.566 e V.由其能带结构可知,随着K掺杂比例的增加,β-BaCu_2S_2晶体的带隙变窄,导电性增强.此外,随着K掺杂物质的量比例的增加,晶体静态介电常数明显变大,说明此时有电子从价带跃迁到导带.K掺杂可以明显改变晶体的光学性质,随着K掺杂物质的量比例的增加,晶体吸收系数的吸收边发生红移.研究结果说明K掺杂可以改变晶体的电子结构,调制晶体的光学性质,这为β-BaCu_2S_2光电材料的实际应用提供了一定的理论指导.     

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.     

ZnO/ZnS核壳结构纳米线的电子结构与光学性质

基于密度泛函理论的第一性原理,研究了纤锌矿型ZnS纳米线和ZnO/ZnS核壳结构纳米线的能带结构、电子态密度与光学性质.结果表明:相对于ZnS纳米线,ZnO/ZnS核壳结构纳米线的最小禁带宽度变窄,主要原因可能是ZnO/ZnS核壳结构纳米线中Zn原子的4s和3p态电子占据了导带底的部分能级.通过分析光学性质发现:ZnO/ZnS核壳结构纳米线的吸收波长向长波方向扩展,且在长波方向出现新的吸收峰,与最小禁带宽度变窄的现象一致.     

LiFePO4掺杂Mg前后导电性能的理论研究

由广义梯度近似的密度泛函理论,计算了LiFePO4在Mg掺杂前后的电子结构.结果表明,Fe-O键是较弱的共价键;而P-O键的键级大,键长短,形成的是很强的共价键.掺杂Mg后,键中的共价成分有些减弱.在总态密度中费米能级附近的价带和导带,主要来自于Fe的3d态电子.掺杂物的能隙明显小于纯LiFePO4的能隙,并且掺杂后,发生了红移现象,从而表明掺杂Mg可以提高LiFePO4的导电性能.     

Mn掺杂ZnO纳米线的制备及其光学性能研究

以Zn(CH_3COO)_2·2H_2O、KOH和MnCO_3为原料,采用水热法制备出ZnO纳米棒和Mn掺杂ZnO纳米线.利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、荧光光谱仪对样品的形貌、结构和光学性质进行了表征和分析.结果表明,制备的两组样品结构均为标准的六方纤锌矿结构,并沿c轴择优生长且均匀分布.纯的ZnO样品在375 nm附近发光性能较弱,在570 nm附近发光性能良好.而Mn掺杂ZnO样品在可见光区发光强度增强,并使紫外衍射峰峰位发生红移,最后讨论了样品的发光机理.