FTO薄膜电子结构和光学性质的PBE0方法研究

本文基于密度泛函理论(DFT)PBE0方法对本征SnO_2及SnO_2∶F电子结构及光学性质进行了理论计算,从理论上描述了光学性质与电子结构关系。计算结果表明,PBE0方法计算光学带隙最接近实验数值。在PBE0赝势下,计算了本征SnO_2及SnO_2∶F能带结构、电子态密度。掺杂后,体系局域态密度增加,费米能级穿越导带底部,F掺杂增强SnO_2的导电性。增加F掺杂浓度,体系等离子体频率降低,有利于降低FTO薄膜红外辐射率。F掺杂SnO_2后,介电函数谱发生红移。     

Pb2+掺杂对Cd1-xZnxS光催化产氢性能的影响规律

采用共沉淀法制备了Pb2 掺杂的Cd0.2Zn0.8S及Cd0.8Zn0.2S固溶体光催化剂.实验结果表明,Pb2 掺杂的宽带隙固溶体Cd0.2Zn0.8S在6s轨道与固溶体的价带杂化后提升了价带位置,降低了半导体的带隙,因而提高了产氢活性.当Pb2 掺杂窄带隙固溶体Cd0.8Zn0.2 S后,形成固溶体价带附近的杂质能级,并成为光生电子空穴复合中心,因而不能提高产氢性能.因此,Pb2 对半导体的可见光改性仅适用于较宽带隙的半导体.     

B、N共掺杂单层石墨烯电子结构和导电性能

利用密度泛函理论研究方法对B、N原子以邻、间、对位等3种不同的相对位置以相同的比例(12.5%)共掺杂单层石墨烯的电子结构进行研究,分别计算共掺杂结构的能带结构、态密度、电荷密度和电荷差分密度等。结果表明:B、N原子共掺杂石墨烯的价带和导带之间出现直接带隙,而且价带电子轨道和导带空轨道分布更靠近费米能级,共掺杂石墨烯可同时作为电子的供体和受体,间位共掺杂结构的带隙值最小(1.296eV).在共掺杂结构的电荷重新分布过程中,B、C和N间的互相杂化和电荷的转移主要发生在各原子的2p轨道,其中B-C原子杂化轨道分布更靠近费米能级,C-N原子杂化轨道能分布在较低的能量区间。     

氮掺杂ZnO四足体的制备及其光催化性能研究

首次制备了氮掺杂的ZnO四足体,并采用SEM和XPS对其结构进行了表征。我们首次采用紫外-可见光分光光度计来测定氮掺杂的ZnO四足体的带隙,结果表明氮掺杂后ZnO四足体的带隙明显变窄,这归因于杂质氮2p轨道远远高于ZnO价带的最大值,带隙明显变窄提高了Arrhenius方程中的速率常数k值。也就是说,氮掺杂使带隙变窄,导致ZnO四足体的光催化活性提高。     

La_(1-x)Ca_xMnO_3的电子结构与磁有序研究

采用DV-Xa分子轨道法计算了不同掺杂浓度的立方结构钙钛矿La_(1-x)Ca_xMnO_3体系的电子结构,分析了体系磁电特性随钙浓度变化的特征.结果表明:自旋相关的锰3d—氧2p轨道杂化出现在整个体系中.未掺杂体系具有金属型导电性,费米能级处多数自旋子带的态密度高于少数子带.随着掺杂浓度的提高,体系发生金属-半金属相变.与此同时,锰离子磁矩单调降低,与3d带自旋交换劈裂的变化规律一致.掺杂的钙提高了锰3d和氧2p电子波函数的交迭,加强了Mn-O-Mn超交换作用,使CaMnO3呈现G型反铁磁态.LaMnO_3中锰3d和氧2p波函数的交迭最弱,呈铁磁有序.     

银掺杂TiO_2纳米管电子结构及光谱特性研究

用密度泛函理论(DFT),采用平面波超软赝势(PWPP)方法,模拟计算了Ag掺杂金红石TiO2对能隙、Fermi能级的影响,探讨其电子结构及光谱特性的变化.Ag掺杂使Fermi能级移入价带,带隙变窄,原因在于价带的上方引入了独立的杂质能级,使其带隙Eg减小了0.89eV.由于Ag的掺杂,光生电子由Fermi能级较高的TiO2纳米管表面转移至Fermi能级低的金属Ag内.紫外-可见光谱分析表明,由于Ag掺杂,TiO2对光的吸收发生红移39nm,其表观带隙变窄,证明在导带与价带之间存在杂质能级.XPS分析表明,—OH能够增强TiO2纳米管表面的酸活性点,有助于光催化氧化能力的提高.     

Ce掺杂锐钛矿型TiO_2密度的泛函理论应用

采用基于密度泛函理论(DFT)框架下的第一性原理平面波赝势(PWPP)方法,模拟计算了纯的TiO2和Ce掺杂锐钛矿TiO2的能带结构、态密度及光学性质,分析了Ce掺杂对锐钛矿TiO2的晶体结构、能隙、态密度和光吸收系数的影响.结果表明:Ce掺杂锐钛矿TiO2晶体后,Ce的4 f轨道进入导带使导带底向低能端移动,禁带宽度变小,吸收带红移,可见光区具有较大的光吸收系数,从而有助于提高TiO2的光催化活性,理论与实验基本吻合.     

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.     

锆酸锶掺Co后磁性质的第一性原理研究

本文使用在位库仑作用、局域密度近似下的投影缀加平面波方法,计算了钙钛矿材料锆酸锶(SrZrO3)正交相掺Co前后的晶体结构、电子能带结构及掺Co后的磁性质.结果表明:当Co-Co之间的间距L为0.4097nm,即最近邻,且体系为铁磁构型时对应的总能最低,表明Co掺杂进入钙钛矿B位后,容易出现Co离子的团簇聚集,出现铁磁性;电子能带结构图显示Co部分替代Zr4+后变为Co4+(3d5),相对于标准化合价的Co3+(3d6),有一条空的d轨道未占据,又由于掺杂Co后其d轨道与近邻O的p轨道有强烈杂化,有部分Co的d轨道及O的部分p轨道越过价带进入带隙,在0~2.60eV之间,自旋向上出现3条Co 3d能带,自旋向下出现7条Co 3d能带,且导带底向低能移动;部分Co离子替代钙钛矿B位的Zr4+后,体系出现磁性,由于Co离子形式化合价为+3,替代Zr4+后,这种空穴掺杂将在价带顶引入空的掺杂能级;态密度结果表明该能级为Co4+离子部分空的d轨道,通过O的p轨道,造成体系中Co3+、Co4+离子的出现,而它们之间的双交换耦合使得体系出现铁磁性.     

V掺杂CrSi2能带结构的第1性原理计算

 采用基于第1性原理的密度泛函理论(DFT)赝势平面波方法和广义梯度近似,计算了V掺杂CrSi₂体系的能带结构和态密度,计算结果表明,本体CrSi₂是具有ΔE_g=0.35eV狭窄能隙的间接带隙半导体,其费米面附近的态密度主要由Cr的3d层电子和Si的3p层电子的态密度决定;V替代Cr掺杂后,费米能级进入价带,费米面插在价带的中间,带隙变窄,且间接带隙宽度ΔE_g=0.25eV;掺杂后费米面附近的电子能态密度则由Cr的3d层电子、V的3d层电子和Si的3p层电子的态密度共同决定,掺杂后V原子成为受主,在价带顶附近贡献了一定数量的空穴,使掺杂后CrSi₂的导电类型变为p型,提高了材料的电导率.