单轴应变下CaO和SrO电子结构和光学性质的第一性原理研究

为探究不同单轴应变条件对碱土金属氧化物CaO和SrO晶体材料电子结构和光学性质的影响,采用第一性原理计算方法,利用密度泛函近似理论,对晶体的能带结构、态密度和介电函数进行计算,并利用克喇末-克朗尼格关系得出晶体的光学常数.研究结果表明:无应变时,CaO和SrO晶体是宽禁带且具有直接带隙的绝缘体,施加单轴应变使晶体带隙的宽度变窄,导电性能增强,且单轴压应变对晶体电子结构的影响比拉应变对晶体电子结构影响明显.2种晶体均为各向同性材料,单轴拉应变使静介电常数变大,单轴压应变使静介电常数变小.光子能量在0~15eV时,2种材料折射率、吸收系数和反射率等光学谱的峰位和峰值均受单轴应变的影响较大,单轴拉应变使得各光学谱的峰位向能量低的方向移动,峰值升高;单轴压应变使得光学谱的峰位向能量高的方向移动,峰值降低.同时单轴拉应变使晶体静态介电常数和静折射率增大,压应变使之降低.研究表明单轴应变可以有效调节CaO和SrO的电子结构和光学性质.     

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.     

单轴应变对BaHfO3电子结构与光学性质的调制影响

从第一性原理出发,在广义梯度近似(GGA)下,采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势计算方法,着重研究了单轴应变对钙钛矿型陶瓷材料BaHfO3电子结构与光学性质的调制影响。研究结果表明:无应变作用时,BaHfO3是一种宽禁带绝缘体;施加单轴应变后其逐渐呈现半导体材料的特征。BaHfO3带隙随拉应变增加线性减小,压应变与带隙则具有明显的非线性关系。对光学性质的分析发现:施加压(拉)应变后,介电函数虚部尖峰增多(减小),光学吸收带边产生蓝移(红移)。此外,单轴应变作用下BaHfO3的静态介电常数和折射率均变大。上述研究表明施加单轴应变有效调制了BaHfO3的电子结构和光学性质,计算结果为应变BaHfO3光电材料的设计与应用提供了一定的理论依据。     

含氧空位立方HfO_2电子结构和光学性质的第一性原理研究（英文）

利用基于第一性原理密度泛函理论框架下的平面波超软赝势法,研究了含氧空位立方HfO_2的几何结构、电子结构和光学性质。计算结果表明,氧空位缺陷对晶格参数的影响不明显。能带结构和态密度结果表明在-0.216 eV处出现了氧空位缺陷能级。通过对比纯立方HfO_2的光学吸收边,由于氧空位缺陷能级的出现,含氧空位立方HfO_2的光学吸收边向低能方向移动。此外,氧空位的出现导致了静态介电常数的增加。     

BeCN_2及其掺杂物Ce@BeCN_2的光学性质研究

采用第一性原理计算研究了超硬材料BeCN_2的光学性质及Ce掺杂引起它的光学性质变化.结果表明:BeCN_2在可见光区域无明显吸收,折射率稳定在2.0左右,掺杂Ce后在可见光和紫外光区都有较强吸收,但反射较弱.二者可分别用作透明器件或紫外线防护等不同领域的光学材料.通过电子结构特征分析说明了Ce掺杂引起光学性质变化的机理.     

Pt掺杂锐钛矿型TiO2电子结构和光学性质第一性原理研究

为了研究Pt掺杂对锐钛矿型TiO2电子结构和光学性质的影响,本文采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,对未掺杂和Pt掺杂锐钛矿型TiO2的电子结构和光学性质做第一性原理计算。得到了掺杂前后的品格结构常数、结合能电子态密度分布、能带结构、介电函数虚部、光吸收系数等性质,定性地分析了掺杂前后能带结构和光学性质的变化。研究结果表明,Pt掺杂锐钛矿型TiO2带隙中能产生新的能带,而且能带位置明显下移,掺杂后不但能使TiO2的吸收带产生红移,而且在可见光区具有较大的吸收系数,表现出较高的光催化活性,理论与实验基本吻合。     

含氧空位立方HfO2电子结构和光学性质的第一性原理研究

利用基于第一性原理密度泛函理论框架下的平面波超软赝势法,研究了含氧空位立方HfO₂的几何结构、电子结构和光学性质。计算结果表明,氧空位缺陷对晶格参数的影响不明显。能带结构和态密度结果表明在-0.216 eV处出现了氧空位缺陷能级。通过对比纯立方HfO₂的光学吸收边,由于氧空位缺陷能级的出现,含氧空位立方HfO₂的光学吸收边向低能方向移动。此外,氧空位的出现导致了静态介电常数的增加。     

含氧空位锐钛矿表面的非金属杂质对其吸附NH_3特性的影响

【目的】金属氧化物光学气敏材料可用来灵敏检测环境气体成分及浓度,而对这一材料的掺杂是改善其光学气敏特性的一种重要途径。【方法】基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,模拟计算了含氧空位锐钛矿TiO_2(101)表面掺杂非金属C、N、F对NH_3分子吸附,对掺杂后锐钛矿TiO_2(101)表面结构的稳定性、NH_3分子吸附后表面结构的稳定性、态密度、电荷分布、差分电荷密度、光学性质给以理论分析。【结果】分析发现:非金属杂质C,N,F易掺杂于有氧空位的TiO_2(101)表面,且有基底的稳定性从大到小依次为C,N,F;杂质元素掺杂于基底表面提高了基底表面氧空位的氧化性,更有助于NH_3分子的吸附,且杂质元素对基底氧空位氧化性的贡献从小到大依次为C,N,F;通过态密度和光学性质分析,NH_3分子吸附在C和N掺杂于含氧空位TiO_2(101)基底表面相对于无掺杂含氧空位TiO_2(101)基底表面降低了材料在可见光范围内的利用率;而吸附在F元素掺杂于含氧空位TiO_2(101)基底表面对可见光范围内的利用率相对于吸附在无掺杂含氧空位TiO_2(101)基底表面的利用率提高了5倍。【结论】掺杂F元素显著的提高了材料的光学气敏传感能力。     

氮对光催化性能的影响:TiO_2纳米球和纳米线对比研究

使用阳极氧化和氨气退火N化的方法制备了N掺杂的TiO2纳米球薄膜和纳米线薄膜.经过N掺杂TiO2纳米线薄膜与未掺杂纳米线可见光区的光吸收强度相差不大,能带宽度从未掺杂样品的3.2eV缩小为3.1eV.TiO2纳米球薄膜在可见光区的光吸收显著增强,能带宽度由未掺杂样品的3.2eV缩小为2.8eV,同时纳米球生长被抑制,其直径约为50nm,明显小于未掺杂TiO2样品的100mn.在可见光照射TiO2氮掺杂纳米线薄膜和纳米球薄膜降解4h后,溶液中亚甲基蓝的浓度分别降至45%和44%,N掺杂样品获得了优异的可见光光催化活性.研究表明N掺杂导致的O空穴浓度增加和能带宽度有效减小是其可见光区光催化活性增强的主要原因.     

A0．25Ba0．75TiO3的电子结构及光学性能的第一性原理研究

利用第一性原理赝势方法计算了A0.5Ba0.75TiO3（A分别为Mg、Ca、Sr）的电子能带结构、态密度、布局分析和光学性质．计算结果表明,随着Ba的同一主族元素的掺杂,A0.25Ba0.78TiO3的能带结构发生了微小的变化,带隙宽度逐渐减小,相应位置的。和Ba的电子逐渐转移到Ti和掺杂原子上,介电常数和折射率也有较大程度的变化,这使A0.28Ba0.75TiO3在制作光学元器件时扩大了使用范围．     

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.     

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.     

氮掺杂对TiO_2薄膜光学性能的影响

目的研究氮掺杂对TiO2薄膜的折射率、透过率、吸收光谱和光学禁带宽度的影响,寻找最佳的掺N量,通过掺N来提高TiO2薄膜对可见光的敏感度。方法用射频磁控溅射方法在玻璃衬底上,控制氩气和氮气的流量比,生长出不同氮含量的TiO2薄膜。结果适量地掺杂可以提高薄膜的折射率;氮掺杂的TiO2薄膜的光学吸收边发生了明显的红移现象;可见光吸收带中存在肩峰的根本原因是出现了新的氮的2p能级。结论通过适量的氮掺杂可以有效地减小TiO2薄膜的光学禁带宽度,从而提高TiO2薄膜对可见光的响应和太阳光的利用效率,拓宽了TiO2薄膜在太阳能电池、光催化降解及建筑材料等方面的应用。     

Nd掺杂对ZnO带隙及染料敏化太阳能电池光电性能的影响

利用溶液法制备Nd掺杂ZnO,并通过X射线衍射(XRD)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)和光电流密度-光电压曲线研究Nd掺杂对ZnO带隙及染料敏化太阳能电池光电性能的影响.结果表明:Nd原子取代Zn原子掺杂到ZnO晶格中;Nd掺杂使ZnO带隙窄化,导致其UV-Vis谱吸收带边红移,且随着掺杂摩尔分数的增加,红移和窄化程度增大;掺杂Nd可提高电池的光电流及光电转换效率,当掺杂Nd的摩尔分数分别为0.5%,1.0%,1.5%时,其光电流密度分别为9.51,13.01,10.79mA/cm2,光电转换效率分别为2.28%,2.84%,2.48%.     

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.     

过渡金属掺杂ZnO纳米线结构、电子性质和磁性质

本文采用密度泛函理论系统地研究了过渡金属原子Co和Ni单掺杂和双掺杂ZnO纳米线的结构、电子性质和磁性质.所有掺杂纳米线的束缚能都为负值,表明掺杂过程是放热的. Co原子趋于占据纳米线中间位置,而Ni原子趋于占据纳米线表面位置.所有掺杂纳米线能隙都小于纯纳米线能隙,并显示出直接带隙半导体特性.纳米线的总磁矩主要来源于磁性原子的贡献. Co掺杂纳米线出现了铁磁和反铁磁两种耦合状态;而Ni掺杂纳米线出现了铁磁、反铁磁和顺磁三种耦合状态.     

高活性碳氮共掺杂二氧化钛纳米线的制备与应用

一维纳米线(尤其是非金属掺杂的一维纳米线)具有电荷移动速度快和载流子复合率低的特点,其在温和条件下的制备备受关注.以硫酸钛为钛源、异丙醇为保护剂水热法制备了碳掺杂及碳氮共掺杂两种Ti O2纳米线,并进行了XRD、SEM、HRTEM、SAED、XPS、BET和UV-Vis等表征.结果表明,经500℃煅烧得到的碳氮共掺杂Ti O2纳米线含有Ti O2(B)和锐钛矿相,并在600℃时完全转变为锐钛矿相;在可见光激发下,相比于碳氮共掺杂纳米颗粒和碳掺杂纳米线,制备的碳氮共掺杂纳米线对阿特拉津的降解效果更好.原因在于:其一,碳和氮的引入有缩短催化剂价带、有效分离光生电子空穴和增加光生电子等作用;其二,600℃以上煅烧能延长锐钛矿到金红石的转化温度,避免产生催化活性低的金红石相.     

Pb-N共掺杂TiO2纳米晶的制备、表征及光催化性能的研究

通过溶胶凝胶法制备了Pb掺杂TiO2纳米晶、在管式炉中NH3（67%）/Ar气氛下制备N掺杂及Pb-N共掺杂的TiO2纳米晶，利用XRD, XPS, SEM及UV-VIS对样品进行了表征，并研究了样品对甲基橙溶液的降解.结果表明：Pb掺杂可以降低纳米晶的粒径，Pb-N共掺杂可以起到协同作用，降低样品的带隙能，提高样品对可见光的吸收，Pb-N共掺杂的TiO2在可见光作用下表现出较高的催化活性，0.5% Pb-N共掺杂的TiO2，可将20mg/L的甲基橙水溶液在35min内完全降解.