同主族Si/C共掺杂TiO_2可见光区光催化性能的第一性原理计算

本文利用密度泛函理论(DFT)第一性原理平面波超软赝方法对Si/C共掺杂锐钛矿TiO_2电子结构、差分电荷密度和光学特性进行了研究.计算结果表明,共掺杂能明显降低体系的带隙(约为1.7eV),能有效增加其光催化活性.从总态密度图可以得到,费米能级附近的杂质态降低了跃迁能.Si/C共掺杂锐钛矿TiO_2能有效提高其在可见光区域的吸收系数,特别是在三种不同的构型中,第三种构型在可见光区域具有最大吸收系数.     

同主族C-Si共掺杂TiO2可见光区光催化性能的第一性原理计算

本文利用密度泛函理论（DFT）第一性原理平面波超软赝方法对C-Si共掺杂TiO2电子结构、差分电荷密度和光学特性进行了研究,计算结果表明,共掺杂能明显降低体系的带隙(约为1.7eV)。能有效增加其光催化活性;从总态密度图可以得到,费米能级附近的杂质态降低了载波跃迁能。C-Si的共掺杂能有效提高其在可见光区域的吸收系数,特别是在三种不同的构型中,第三构型在可见光区域具有最大吸收系数。     

过渡金属M(V,Cr,Mn)掺杂ZnS的电子结构和光学性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对ZnS和掺杂过渡金属V,Cr,Mn的ZnS超晶胞结构进行结构优化,计算了掺杂前后的电子结构和光学性质,对结果进行了比较分析.结果表明:掺杂系统在费米能级附近出现了不对称的现象,这部分的态密度主要由过渡金属的3d态贡献;ZnS和掺杂过渡金属V,Cr,Mn的ZnS系统的光学性质在低能区域有较大的差异,与ZnS相比,掺杂系统的吸收边发生红移.     

N-S共掺ZnO的第一性原理研究

通过第一性原理方法计算了未掺杂、N单掺和N-S共掺ZnO的电子结构。对态密度的计算发现，N单掺时会在价带顶费米能级附近形成一个局域性很强的能级，N-S共掺后N的局域性减弱，费米能级更加深入价带导致空穴浓度增加；对有效质量的计算发现，共掺时的有效质量较单掺时减小。计算结果表明，N-S共掺相对于N单掺有利于形成p型ZnO。     

N掺杂金红石TiO_2光学性质的第一性原理研究

运用第一性原理的LDA+U(U_(Ti-3d)=7eV,U_(O-2p)=4eV)方法研究了N掺杂金红石TiO_2的电子结构和光学吸收性质。研究表明N元素的掺杂可以降低TiO_2的禁带宽度并在带隙中引入杂质能级。杂质能级主要由O-2p轨道和N-2p轨道之间的耦合形成。杂质能级的引入以及带隙宽度的降低可以增加TiO_2对可见光的响应,并提高Ti O2的光催化活性。费米能级附近的态密度由O-2p轨道和N-2p轨道之间的耦合形成π键构成,电子占据π键态和空的σ键态能级差大约为0.4 eV,可使N掺杂Ti O2的光学吸收边落在在红外区域,即发生了所谓的光学吸收边的红移现象。     

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。     

非金属掺杂对磷烯几何与电子结构的影响

研究了B,C,N,O和F在P位掺杂磷烯的几何结构变化、稳定性差异、能带结构和态密度.发现:B,C和N掺杂磷烯时,与近邻磷原子的键长都呈现出缩短的现象;O和F掺杂磷烯时,与一个近邻磷原子的键长呈现出增长的现象,增长率达到45%以上.B,C,N,O和F掺杂磷烯体系都有较好的稳定性.同时,磷烯的能带结构可以通过掺杂B,C,N,O和F等进行调控,而杂质能级的出现有利于磷烯体系电子导电性能的增强.C,N,O和F掺杂体系的态密度在费米能级处出现1个峰值,表明体系电学性能的增强.     

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.     

Cr含量对Ti-V-Cr合金结构稳定性及抗腐蚀性 影响的电子结构计算

在合金体系中添加合金化元素来提高合金体系的抗腐蚀性是科学研究的重要手段之一.首先讨论了不同Cr含量下,Cr原子的分布对合金结构稳定性的影响.在此基础上,通过计算不同Cr含量的Ti-V-Cr合金体系的内聚能和形成能、费米能级和态密度,从电子层次分析Cr含量对Ti-V-Cr合金体系抗腐蚀性的影响.结果表明:随着合金体系Cr含量的增加,合金体系的内聚能升高,表明合金体系结构稳定性在降低;形成能均为负值,表明合金都稳定存在.态密度的研究表明,随着Cr含量的增加,赝能隙逐渐消失,合金体系中相邻原子间的成键作用减弱,合金体系的结构稳定性随着Cr含量的增加而降低,与内聚能的计算结果一致.态密度的研究还表明,随着Cr含量的增加,合金体系的费米能级在降低,费米能级处的总态密度值明显减小,并且态密度最大值向低能级方向移动,合金体系失电子能力减弱,有利于提高合金体系的抗腐蚀性.     

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.     

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.     

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.     

Cu掺杂TiO_2(101)和(001)面调制效应的第一性原理研究

文章采用周期性密度泛函理论,研究了Cu掺杂于锐钛矿TiO_2晶体、吸附和掺杂于TiO_2(001)和(101)表面及次表面后晶体结构的变化及形成能,并讨论了能带结构及态密度的变化.通过形成能的比较发现,Cu最佳掺杂位为TiO_2(001)表面空穴位,且掺杂后TiO_2禁带宽度明显减小并出现半金属性.通过态密度分析可以看出最佳掺杂位Cu-O之间发生较强p-d杂化,证明CuO相的出现.上述结果与实验吻合较好,有效揭示Cu掺杂TiO_2的微观机理     

BaTaO2N局域电子结构及光学性质的第一原理计算

采用基于密度泛函理论的第一原理方法计算了BaTa02N的局域能带结构、态密度和光学性质．能带结构结果表明,BaTa02N属于直接带隙半导体,其能带宽度Eg=0．62eV;价带主要由O2p,N2p和Ta5d态电子构成,且N2p态位于价带顶;导带主要由Ta5d态电子构成．基于能带结构和态密度分析了BaTaO：N的介电函数以及折射率、光电导率、吸收谱和能量损失函数等光学性质．静态介电常数（0）=6．13,折射率no=2．48,在紫外区有较大的吸收系数．     

尖品石CSi2N4化合物的电子结构和硬度分析

采用密度泛函理论在广义梯度近似下的赝势平面波方法，对尖晶石CSi2N4体系进行晶格优化，得到能量最低的稳定结构，获得平衡态时的晶格常数，并计算了总能量、弹性常数、体变模量、能带结构和态密度，再根据计算结果对其稳定性和电子结构进行分析。最后，计算了尖晶石CSi2N4化合物的硬度，并与尖晶石结构的氮化碳（C3N4）进行了比较。     

预制层结构对CZTS薄膜微观组织和光学性能的影响

研究了叠层顺序对磁控溅射沉积铜锌锡硫（CZTS）吸收层的微观结构、表面形貌和光学性能的影响.试验结果表明：当预制层结构为Cu/ZnS/SnS₂时,制备的CZTS薄膜在（112）晶面具有择优生长取向,并具有较好的结晶一致性,在288,335和368 cm^-1处呈现出特征拉曼（Raman）峰,薄膜表面晶粒较大、形状规则、薄膜空隙较少、比较致密,可见光范围内的吸收系数较高,光学带隙1.5 eV,适合作为CZTS薄膜太阳能电池的吸收层;当预制层结构为SnS₂/Cu/ZnS和ZnS/SnS₂/Cu时,由于在预制层硫化过程中造成一定的Zn和Sn流失,使CZTS薄膜中含有CuS杂相,导致薄膜表面质量下降,禁带宽度增加,不适合做CZTS薄膜太阳能电池的吸收层.     

基于Fe/Ni共掺杂CdS的电子结构和光学性质

利用第一性原理计算方法，研究Fe/Ni单（共）掺杂对CdS几何结构、电子结构和光学性质的影响. 结果表明，Fe/Ni单（共）掺杂使带隙发生窄化，（Fe，Ni）共掺杂使带隙中出现更多的杂质能级，这些杂质能级主要来自Fe 3d态、Ni 3d态和S 3p态电子相互间的杂化作用; （Fe，Ni）共掺杂远大于单掺杂CdS的光吸收强度，（Fe，Ni）共掺杂的协同作用可大幅度提高CdS对可见光的响应能力和光催化活性.     

基于Fe/Ni共掺杂CdS的电子结构和光学性质

利用第一性原理计算方法，研究Fe/Ni单（共）掺杂对CdS几何结构、电子结构和光学性质的影响. 结果表明，Fe/Ni单（共）掺杂使带隙发生窄化，（Fe，Ni）共掺杂使带隙中出现更多的杂质能级，这些杂质能级主要来自Fe 3d态、Ni 3d态和S 3p态电子相互间的杂化作用; （Fe，Ni）共掺杂远大于单掺杂CdS的光吸收强度，（Fe，Ni）共掺杂的协同作用可大幅度提高CdS对可见光的响应能力和光催化活性.     

Cu掺杂AlN的铁磁稳定性的第一性原理计算

文章采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势法,结合广义梯度近似计算了Cu掺杂AlN的晶格常数、能带结构、电子态密度、铁磁态和反铁磁态的总能量,并通过平均场近似的海森堡模型估算了居里温度Tc。结果表明,Cu掺杂体系的能带结构呈现半金属性,半金属能隙为0.442eV。铁磁性是Cu原子的3d态与其最近邻的N原子的2p态通过p-d杂化作用而稳定的。当两个Cu原子相距最远且自旋平行排列时,体系具有最低的能量,估算出此时的居里温度高于室温,因此Cu掺杂AlN有望作为稀磁半导体材料。