C-Mg掺杂GaN电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论第一性原理的方法,计算了GaN、C单掺、Mg单掺和C-Mg共掺体系的电子结构和光学性质,计算结果表明:掺杂后,GaN体系的晶格发生畸变,有利于光生空穴-电子对的分离,C-Mg共掺体系结构最稳定,掺杂体系的禁带宽度均减小,其中C-Mg共掺体系的禁带宽度最小,在禁带中引入了杂质能级,说明掺杂可有效降低电子跃迁所需的能量.在光学性质方面,掺杂后,GaN在低能区介电峰和吸收峰均发生红移,且静介电常数增大;其中C-Mg共掺体系的对可见光的吸收最强,极化能力最强,因此C-Mg共掺将有望提高GaN在光催化性能和极化能力.     

Ce掺杂CrSi2电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对未掺杂及Ce掺杂CrSi2的电子结构和光学性质进行理论计算。计算结果表明,未掺杂CrSi2是间接带隙半导体,其禁带宽度为0.392 eV,掺杂Ce元素,仍然是间接半导体,带隙宽度下降为0.031eV。未掺杂CrSi2在费米能级附近主要由Cr-5d、Si-3p态贡献。Ce掺杂后在费米能级附近主要由Cr-5d轨道,Ce-4f轨道,C-2p,Si-3p轨道贡献,掺杂后电导率提高。未掺杂CrSi2有两个介电峰,掺杂后,只有一个介电峰。未掺杂CrSi2,在能量为6.008处吸收系数达到最大值,掺杂后在能量为5.009eV处,吸收系数达到最大值。     

稀土元素(Ce/Pr/Nd)掺杂Mn_4Si_7的第一性原理计算

利用第一性原理,对稀土元素Ce、Pr或Nd掺杂Mn_4Si_7前后的几何结构、电子结构和光学性质进行了计算与分析.结果表明,掺杂后Mn_4Si_7晶格常数变大,禁带宽度明显减小,由于稀土元素特殊的4f层电子的影响,在费米能级附近出现了杂质能级.掺杂后Mn_4Si_7的介电函数虚部、吸收系数的主峰均出现红移,红外光区的光跃迁强度明显增强,光吸收系数和光电导率均增大.说明掺杂稀土元素Ce、Pr或Nd后改善了Mn_4Si_7在红外光区的光电性能.     

稀土元素Lu，Sc掺杂GaN光电特性的第一性原理研究

基于密度泛函理论,采用广义梯度近似（GGA+U）平面波超软赝势方法,计算了本征GaN和稀土元素Lu、Sc掺杂GaN体系的电子结构和光学性质.结果表明：计算得到本征GaN的禁带宽度为3.37 eV,与实验值（3.39 eV）接近. Lu掺杂后GaN体系带隙变窄,而Sc掺杂后诱导了深能级杂质,带隙变宽,但仍为直接带隙半导体.掺杂后体系均发生畸变,晶格常数和体积增大,且在费米能级附近产生杂质带. Lu、Sc掺杂GaN体系的静态介电常数较本征GaN（4.50）均有所增大.Lu、Sc掺杂后体系介电常数虚部整体左移,光吸收边往低能方向移动,发生了红移现象.计算结果对稀土元素Lu、Sc掺杂GaN高压光电材料的开发和研究提供了理论依据.     

Fe掺杂GaN光电特性的第一性原理研究

基于密度泛函理论体系,计算了本征GaN材料和12.5%的Fe掺杂GaN体系的光电特性,分析了晶体结构、能带结构和电子态分布、介电函数、吸收系数、折射率、反射率、能量损失谱和消光系数,从理论上讨论了掺杂对体系光电特性的影响.计算所得理想GaN的禁带宽度为3.41 eV,Fe的重掺杂体系明显变窄,为3.06 eV,但仍为直接带隙半导体.本征GaN材料与Fe掺杂GaN体系的静态介电常数为5.74和6.20,折射率为2.39和2.48,能量损失最大值在20.02 eV和18.96 eV,最大吸收系数能量均在13.80 eV左右.计算结果为Fe掺杂GaN高压光电导开关材料及器件的进一步研究提供了有力的理论依据和实验支持.     

Ce掺杂6H-SiC电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对未掺杂及Ce掺杂6H-SiC的电子结构和光学性质进行理论计算.计算结果表明,未掺杂6H-SiC是间接带隙半导体,其禁带宽度为2.045 eV,掺杂Ce元素,带隙宽度下降为0.812 eV.未掺杂6H-SiC在价带的低能区,Si-3s、C-2s电子轨道对态密度的贡献较大,在价带的高能区,主要是由Si-3p、Si-3s、C-2p态组成.掺杂后Ce原子的4f轨道主要贡献在导带部分,掺杂后电导率提高.未掺杂时,只有一个介电峰,是价带电子跃迁到导带电子所致,掺杂后有两个介电峰,第一个介电峰是由于导带电子跃迁到Ce原子4f轨道上产生,第二个峰是价带电子向导带电子跃迁产生.未掺杂6H-SiC,在能量为10.31 eV处吸收系数达到最大值,掺杂后在能量为6.57 eV处,吸收系数达到最大值.     

Ce掺杂6H-SiC电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对未掺杂及Ce掺杂6H-SiC的电子结构和光学性质进行理论计算.计算结果表明,未掺杂6H-SiC是间接带隙半导体,其禁带宽度为2.045 eV,掺杂Ce元素,带隙宽度下降为0.812 eV.未掺杂6H-SiC在价带的低能区,Si-3s、C-2s电子轨道对态密度的贡献较大,在价带的高能区,主要是由Si-3p、Si-3s、C-2p态组成.掺杂后Ce原子的4f轨道主要贡献在导带部分,掺杂后电导率提高.未掺杂时,只有一个介电峰,是价带电子跃迁到导带电子所致,掺杂后有两个介电峰,第一个介电峰是由于导带电子跃迁到Ce原子4f轨道上产生,第二个峰是价带电子向导带电子跃迁产生.未掺杂6H-SiC,在能量为10.31 eV处吸收系数达到最大值,掺杂后在能量为6.57 eV处,吸收系数达到最大值.     

C掺杂β-FeSi2的电子结构和光学特性研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对C掺杂β-FeSi2的几何结构、能带结构、态密度和光学性质进行了理论计算.几何结构和电子结构的计算表明：C掺杂后使得β-FeSi2的晶格常数a和b减少,c变化不大,晶格体积减小;C掺杂后的β-FeSi2能带结构仍为准直接带隙,禁带宽度变窄,直接带隙与间接带隙的能量差值不变, C的掺杂消弱了Fe的3d态电子,费米能级附近的电子态密度主要由Fe的3d态电子贡献.光学性质的计算表明：与未掺杂时相比,介电函数的实部 减少,虚部 的峰值减少并向高能方向有一微小的偏移,吸收系数有所降低.计算结果为β-FeSi2光电材料的应用和设计提供了理论指导.     

C掺杂β-FeSi2的电子结构和光学特性研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对C掺杂p-FeSi2的几何结构、能带结构、态密度和光学性质进行了理论计算.几何结构和电子结构的计算表明:C掺杂后使得β-FeSi2的晶格常数a和b减少,c变化不大,晶格体积减小;C掺杂后的 β-FeSi2能带结构仍为准直接带隙,禁带宽度变窄,直接带隙与间接带隙的能量差值不变,C的掺杂消弱了Fe的3d态电子,费米能级附近的电子态密度主要由Fe的3d态电子贡献.光学性质的计算表明:与未掺杂时相比,介电函数的实部ε1减少,虚部ε2的峰值减少并向高能方向有一微小的偏移,吸收系数有所降低.计算结果为β-FeSi2光电材料的应用和设计提供了理论指导.     

La掺杂3C-SiC电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对未掺杂及稀土材料La掺杂3C-SiC的电子结构和光学性质进行理论计算.计算结果表明,La掺杂引起3C-SiC晶格体积增大,掺杂体系能量更小,掺杂体系的结构更稳定;未掺杂3C-SiC是直接带隙半导体,其禁带宽度为1.406 eV,La掺杂后带隙宽度下降为1.161 eV,La掺杂3C-SiC引入了3条杂质能级,能量较高的1条杂质能级与费米能级发生交叠,另外2条杂质能级都在费米能级以下价带顶之上,La掺杂引起3C-SiC吸收谱往低能区移动,未掺杂3C-SiC的静态介电常数为2.66,La掺杂引起静态介电常数增加为406.01,La掺杂3C-SiC是负介电半导体材料.     

过渡金属掺杂GaN的电子结构和光学性质理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法计算不同过渡金属（V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni）掺杂GaN的电子结构及光学性质,分析掺杂对电子结构及光学性质的影响.结果表明,过渡金属掺杂在GaN的禁带中引入杂质能带,除掺Fe体系外其它掺杂体系都表现为半金属性.除掺Fe和Ni体系在低能区没有出现光吸收外,其它体系均在低能区杂质能级处出现光吸收.     

Electronic properties of anatase TiO2 doped by lanthanides: A DFT+U study

The effects of mono-doping of 4f lanthanides with and without oxygen vacancy defect on the electronic structures of anatase TiO₂ have been studied by first-principles calculations with DFT+U (DFT with Hubbard U correction) to treat the strong correlation of Ti 3d electrons and lanthanides 4f electrons. Our results revealed that dopant Ce is easy to incorporate into the TiO₂ host by substituting Ti due to its lower substitutional energy (∼−2.0 eV), but the band gap of the system almost keeps intact after doping. The Ce 4f states are located at the bottom of conduction band, which mainly originates from Ti 3d states. The magnetic moment of doped Ce disappears due to electron transfer from Ce to the nearest O atoms. For Pr and Gd doping, their substitutional energies are similar and close to zero, indicating that both of them may also incorporate into the TiO₂ host. For Pr doping, some 4f spin-down states are located next to the bottom of the conduction band and narrow the band gap of the doping system. However, for Gd doping, the 4f states are located in deep valence band and there is no intermediate band in the band gap. The magnetic moment of dopant Gd is close to the value of isolated Gd atom (∼7 μB), indicating no overlapping between Gd 4f with other orbitals. For Eu, it is hard to incorporate into the TiO₂ host due to its very higher substitutional energy. The results also indicated that oxygen vacancy defect may enhance the adsorption of the visible light in Ln-doped TiO₂ system.     

闪烁体Y_2SiO_5:Ce的发光特性

Y_2SiO_5:Ce~(3+)(YSO:Ce)具有高密度、不吸潮以及良好的光输出和快速衰减的特性,是一种重要的闪烁材料。研究采用高温固相法制备Y_2SiO_5:Ce~(3+)+0.2%(YSO:Ce)。在低温及室温下,对闪烁体YSO:Ce的时间分辨发射光谱、激发光谱以及衰减曲线进行了测量和分析。YSO:Ce主要有两类发射,一是晶体的缺陷发射,发射中心在320 nm;二是掺杂的Ce~(3+)的5d→4f发射,发射中心在440 nm。只有当激发能量(E_x)大于材料带隙宽度(E_g)时才能够激发出晶体缺陷发射,对应慢速的激发发射过程,且低温时发射强度较大,当温度升高时有温度猝灭,在室温下时间分辨发射光谱中几乎观察不到晶体缺陷发射。对于发射中心位于440 nm Ce~(3+)的5d→4f能级发射,在60~300 nm范围内能够观察到多个激发峰,其中能量小于材料禁带宽度的激发是属于Ce~(3+)5d能级的直接激发带,对应快速的激发发射过程。在低温时能够观测到发光中心位于392和426 nm分立的发射峰,对应Ce~(3+)的5d→4f(~2F_(5/2),~2F_(7/2))的发射。当温度升高到室温时,光谱宽化,无法观测到分立的发射峰。在温度200和300 K时,当激发光的能量大于带隙宽度,衰减曲线有明显的上升沿,说明有能量传递给Ce~(3+)。     

层状氧化钼的电子结构、磁和光学性质第一原理研究

按照基于自旋密度泛函理论的赝势平面波第一原理计算方法,理论研究了两种层堆叠结构氧化钼(正交和单斜MoO_3)的电子结构、磁性和光学特性,探讨其作为电致变色材料或电磁材料在光电子器件中的技术应用.采用先进的半局域GGA-PW91和非局域HSE06交换相关泛函精确计算晶体结构和带隙宽度.计算得出较低密排面解离能,表明两种层状氧化钼的单片层很容易从体材料上剥落.能带结构和投影态密度分析表明:导带底和价带顶电子态主要来自于层平面方向成键的原子轨道,呈现典型的二维电子结构特征.无缺陷的MoO_3块体材料具有明显的磁矩,O空位会导致磁矩增加;由Mo原子和顶点氧原子产生的亚铁磁耦合磁矩是MoO_3层状材料磁性的主要来源;层状氧化钼在可见光区具有明显的光吸收响应,光吸收谱表现出显著的各向异性并在带电时发生明显的蓝移或形成新的低频可见光吸收峰.计算结果证明层状氧化钼具有明显的电致变色和磁控性能,为设计高性能电磁或光电子功能材料提供了理论依据和技术数据.     

Spectral properties of rare-earth ions in nanocrystalline YAG:Re (Re=Ce, Pr, Tb)

Bulk and nanoscale powders of YAG:Re (Re=Ce, Pr, Tb) were synthesized by solid-state and sol-gel method. The changes of spectra and energy level were studied. Compared with the bulk YAG:Re (Re=Ce, Pr, Tb) crystals, the lattice parameter of YAG:Re (Re=Ce, Pr, Tb) nanocrystals decreases. It is also found that the excitation peaks of 5d energy levels shift in nanocrystals. The physical reason for spectral and energy level changes is a comprehensive result from the shift of energy centroid of the 5d orbit, the Coulomb interaction between 4f and 5d electrons and the crystal field splitting of the 5d energy level.     

Electronic structure and optical properties of Al and Mg co-doped GaN

The electronic structure and optical properties of Al and Mg co-doped GaN are calculated from first principles using density function theory with the plane-wave ultrasoft pseudopotential method.The results show that the optimal form of p-type GaN is obtained with an appropriate Al:Mg co-doping ratio rather than with only Mg doping.Al doping weakens the interaction between Ga and N,resulting in the Ga 4s states moving to a high energy region and the system band gap widening.The optical properties of the co-doped system are calculated and compared with those of undoped GaN.The dielectric function of the co-doped system is anisotropic in the low energy region.The static refractive index and reflectivity increase,and absorption coefficient decreases.This provides the theoretical foundation for the design and application of Al–Mg co-doped GaN photoelectric materials.     

空位浓度对纤锌矿BN电子结构和光学性质影响的第一性原理研究

本文采用了第一性原理研究了空位缺陷纤锌矿BN的电子结构和光学性质.通过对能带结构、态密度分析发现：缺陷体系由于B、N的缺失,费米能级附近出现杂质能级.相较于本征体系,随着空位浓度增加,杂质能级变多,跃迁能量减小. N空位缺陷的纤锌矿BN态密度总体向低能区移动,且能级相较于B空位缺陷的纤锌矿BN明显增多.从复介电函数和光学吸收谱分析中发现,随着空位浓度的增加,缺陷体系纤锌矿BN在可见光区域的吸收逐渐增强.尤其是B₂₂N₂₄在可见光区域出现的吸收效果更好.