(Nb,N)共掺杂锐钛矿电子结构和光学性质的第一性原理研究

二氧化钛（TiO₂）作为一种性能优良的光催化剂已经受到越来越多的关注.本研究采用密度泛函理论的第一性原理和广义梯度近似+U方法,对锐钛矿结构TiO₂晶体三种可能的（Nb,N）共掺杂TiO₂的几何结构、形成能、能带结构、电子密度和光吸收系数进行了研究,并与单掺杂（Nb/N）体系进行了对比.对掺杂后体系的几何结构进行的计算表明杂质原子掺入后晶格发生了不同程度的畸变.此外,（Nb,N）共掺杂体系与纯TiO₂相比,其禁带宽度和吸收边较小.同时,与N掺杂TiO₂相比,N的2p态在共掺杂情形下变为完全占据,从而减少了电子空穴对的复合.而且共掺杂体系的形成能比N单掺杂体系低,因而更加稳定.因此,（Nb,N）共掺杂可以很好地提升锐钛矿型TiO₂在可见光波段的光催化性能.     

Mg和Zn掺杂CuAlS2电子结构的分析

从能带结构和态密度分析了黄铜矿CuAlS₂的电子结构.对比未掺杂CuAlS₂,从晶体结构、电子结构、电荷密度分布讨论了Mg和Zn替位Al掺杂对CuAlS₂的影响.结果表明:Mg和Zn掺杂CuAlS₂都导致晶格常数增大,Mg掺杂晶胞体积增大更多;掺杂在价带顶引入受主态,形成p型电导;Mg掺杂比Zn掺杂的受主能级电离能略小;而Zn掺杂CuAlS₂体系总能更低,晶格结构更稳定. 关键词： 2')" href="#">CuAlS₂ p型掺杂 电子结构 能带结构     

第一原理研究Mn掺杂LiNbO3晶体的磁性和光吸收性质

采用基于密度泛函理论和局域密度近似的第一性原理分析了Mn掺杂LiNbO₃晶体的结构, 磁性, 电子特性和光吸收特性. 文中计算了Mn占据Li位和Nb位体系的形成焓, 对应的形成焓分别为-8.340 eV/atom和-8.0062 eV/atom, 也就意味着Mn 原子优先占据Li位. 这也就意味着Mn原子占据Li位的掺杂LiNbO₃晶体结构更稳定. 磁性分析的结果显示, 其对应磁矩也比占据Nb位的高. 进一步分析磁性的来源, 自旋态密度结果显示: Mn掺杂LiNbO₃晶体的磁性主要源于掺杂原子Mn, Mn原子携带的磁矩高达 4.3 μ_B, 显示出高自旋结构. 由于Mn-3d与近邻O-2p及次近邻Nb-4d 轨道的杂化作用, 计算表明: 诱导近邻O原子及次近邻Nb原子产生的磁矩对总磁矩的贡献较小. 通过光学吸收谱的分析, 得出在可见光区Li位被Mn原子替代以后显示出更好的光吸收响应相比于Nb位. 本文还分析了O空位对于LiNbO₃晶体磁性与电子性质的影响, 结果显示O空位的存在可以增加Mn掺杂LiNbO₃体系的磁性.     

X射线吸收谱对Ga0.946Mn0.054As薄膜中缺陷的研究

采用低温分子束外延法(LT-MBE)制备出Ga_0.946Mn_0.054As稀磁半导体(DMS)薄膜.通过X射线吸收谱(XAS)研究影响Ga_0.946Mn_0.054As薄膜性质的主要缺陷Mn间隙原子(Mn_I)和As反位原子(As_Ga).实验结果表明,在较低生长温度(T_S=200℃)下Ga_0.946Mn_{0.054 关键词： 0.946}Mn_0.054As稀磁半导体')" href="#">Ga_0.946Mn_0.054As稀磁半导体 X射线吸收谱 As反位缺陷 Mn间隙原子     

氟钙钛矿AMF3:Fe3+晶体中Fe3+离子的零场分裂参量及晶格缺陷研究

对氟钙钛矿晶体AMF₃：Fe³⁺（A=K，Rb，Cs；M=Zn，Cd）四角对称占位的零场分裂（ZFS）进行分析，证实了晶格缺陷及畸变的存在．对ZFS参量随晶格畸变参量的变化关系进行了详细研究，考虑了缺陷及缺陷引起的晶格畸变两者的贡献，得出几种氟钙钛矿晶体的晶格畸变参量 关键词：     

B掺杂ZnO透明导电薄膜的实验及理论研究

采用脉冲直流磁控溅射技术与基于密度泛函理论的平面波赝势方法对B掺杂ZnO （BZO）薄膜进行了研究. 以B₂O₃：ZnO陶瓷靶为溅射靶材,制备了低电阻率、可见和近红外光区高透过率的BZO薄膜. 系统地研究了衬底温度对BZO薄膜的结构、光电特性的影响. 结果表明：适当的增加衬底温度可以促进BZO薄膜结晶质量改善,晶粒尺寸增加,迁移率增大,电阻率降低. 在200 ℃时制备了电阻率为7.03×10^-4 Ω·cm,400–1100 nm平均透过率为89%的BZO薄膜. 理论模拟结果表明：在BZO薄膜中,以替位方式掺入的B （B_Zn）的形成能最低,B主要以替位形式掺入ZnO,其次分别为八面体间隙（B_IO）和四面体间隙（B_IT）的掺杂方式. B 掺入后,费米能级穿过导带,材料表现出n型半导体特性,光学带隙展宽,导电电子主要来源于B 2p,O 2p及Zn 4s电子轨道. 关键词： BZO薄膜 第一性原理计算 磁控溅射 太阳电池     

Co掺杂的ZnO室温铁磁半导体材料制备与磁性和光学特性研究

采用溶胶-凝胶法制备出具有室温铁磁性的Co掺杂的ZnO稀磁半导体材料. 通过对样品的结构、磁性和发光特性的研究发现,样品具有室温铁磁性,并发现其铁磁性源于磁性离子对ZnO中Zn离子的取代. 对不同温度制备的样品的磁性以及其发光特性的变化研究发现,样品的铁磁性与样品中锌间隙位（Zn_i）缺陷的密度有关. 关键词： ZnO 稀磁半导体 铁磁性     

GaMnN材料红外光谱中洛伦兹振子模型的遗传算法研究

利用红外反射光谱研究了蓝宝石衬底上用金属有机物化学气相淀积方法生长的稀磁半导体GaMnN材料的晶格振动特性. 并成功地将改进的遗传算法应用于其红外反射光谱洛伦兹振子模型参数的提取. 通过与GaN薄膜的洛伦兹振子模型参数的对比研究发现,GaN掺入Mn后,ω_TO向高频方向移动,γ,ε_∞和ε_s均增加,而ω_LO基本保持不变. 文中同时分析和讨论了Mn对晶格振动特性的影响及 关键词： 稀磁半导体GaMnN材料 遗传算法 洛伦兹振子模型 参数提取     

金属Fe与间隙H原子相互作用的密度泛函研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 研究了不同摩尔比下H在α-Fe和γ-Fe晶格中的间隙占位情况, 计算了稳态晶体的总能量、结合能、溶解热、电子态密度、电荷差分密度和电荷布居, 分析了间隙H原子和Fe晶格之间的相互作用, 讨论了H溶解对α-Fe和γ -Fe晶体电子结构的影响. 结果表明: H溶解引起α-Fe和γ-Fe晶体点阵晶格畸变, 体积膨胀率随着溶氢量的增加而增加. 从能量角度分析发现, H优先占据α-Fe的四面体间隙位, 而在γ -Fe中优先 占据八面体间隙位. 态密度、电荷差分密度以及电荷布居分析发现, 间隙H原子与Fe晶格的相互作用仅由H的1s轨道电子和Fe的4s轨道电子所贡献, 二者作用力相对较弱, 这是造成H在Fe晶格中固溶度较低的主要原因之一. 关键词： 金属Fe 间隙H原子 第一性原理 溶解热     

PZT四方相区介电常数εr与晶格畸变关系的研究

从Haun的PZT热力学理论出发，给出了PZT四方相区介电常数ε_r与晶格畸变c/a关 系的基本方程，并深入地根据相关实验资料和物理图像的合理推论，建立了关于晶格畸变c/ a与介电常数ε_r相互依赖的基本关系式.然后，根据该基本关系式仔细地研究了PZT四 方相区晶格畸变c/a对介电常数ε_r影响的物理图像.与相关实验资料比较表明，基本 关系式得到的介电常数ε_r随晶格畸变c/a的变化规律,与相关实验结果相比较，两者 吻合得 关键词： 晶格畸变 r')" href="#">介电常数ε_r 四方相 PZT     

高压下Zn2GeO4带隙变化的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了Zn₂GeO₄晶体在高压下的电子结构和带隙变化行为. 研究结果发现, 随着压强的增加, Zn₂GeO₄ 能带间隙先变大, 在压强为9.7 GPa时达到最大值, 然后减小. 通过电子态密度、电荷布居数和电子差分密度分布图的研究分析可知:在低压区域(0< P< 9.7 GPa), 带隙的变大主要是由于原子间距离的减小造成的共价性增强和Ge原子随压强的变大局域性增强引起的; 在高压区域(P>9.7 GPa), 则是出现了离域现象, 诱发了离域电子的产生, 从而使带隙减小.     

Structural properties of the donor indium in nanocrystalline ZnO

The structural properties of the nanocrystalline semiconductor ZnO (nano-ZnO) doped with the donor Indium were investigated by perturbed γγ angular correlation spectroscopy (PAC) and extended X-ray absorption fine structure measurements (EXAFS). Up to an average concentration of one In atom per nanocrystallite, PAC measurements show that about 12% of the ¹¹¹In atoms are incorporated on substitutional Zn sites. At higher In concentrations, new In defect complexes are visible in the PAC spectra, which dominate the spectra if the average In concentration exceeds one In atoms per nanocrystallite. In addition, the local environment of Zn and In atoms in In doped nano-ZnO was investigated by EXAFS. The measurements at the K edge of Zn show that the crystal structure of nano-ZnO corresponds to bulk ZnO. In heavily In doped nano-ZnO the EXAFS experiments at the K edge of In exhibit an expansion of the first O shell about the In site. Since about four O atoms are detected in this first shell a substitutional incorporation of the In atoms in the ZnO lattice is suggested. The second shell to be occupied by Zn atoms as well as higher shells are almost invisible, which might have the same microscopic origin as the occurrence of defect complexes observed by PAC.     

H掺杂α-Fe2O3的第一性原理研究

α-Fe₂O₃是一种重要的磁性半导体材料, 在电子器件中应用广泛, 具有重要的研究意义. 本文基于密度泛函理论, 采用GGA+U方法, 应用第一性原理对间隙H掺杂前后的六方相α-Fe₂O₃的晶格常数、态密度、Bader 电荷分布进行了计算分析. 研究了U值对结果的影响, 发现U=6 eV时, 体相α-Fe₂O₃的晶胞平衡体积、Fe原子磁矩、带隙值与实验值最符合. 在选取合适U值后, 第一性原理计算结果表明, H掺杂后, 间隙H部分被氧化, 其最近邻的Fe 和O部分被还原, H和O有一定程度的成键. 在费米面附近, 出现了新的杂化能级, 杂化能级扩展了价带顶的宽度, 同时导带底下移, 引起带隙减小, 表明H掺杂是一种有效的能带结构调控方法.     

杂质对Nb2GeC性质影响的第一性原理研究

为进一步研究Nb₂GeC在辐照环境中的稳定性, 本文研究了O, H和He杂质在Nb₂GeC中的稳定情况. 所有杂质的研究都是从替代和间隙两个方面来进行的, 计算得到了替代和间隙的形成能, 存在替代和间隙时Nb₂GeC的晶格常数, 以及单胞体积, 并且与完美的晶胞进行了比较. 此外, 通过电荷密度分布和Mulliken 布居, 分析了O, H, He杂质对Nb₂GeC 的电子性质的影响.     

扭转形变对石墨烯吸附O原子电学和光学性质影响的电子理论研究

基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了扭转形变对石墨烯吸附O体系结构稳定性、电子结构和光学性质,包括吸附能、带隙、吸收系数及反射率的影响.研究发现,吸附O原子后,距O原子最近的C原子被拔起,导致石墨烯平面发生扭曲.吸附能计算表明,扭转形变使石墨烯吸附O原子体系结构稳定性下降,而扭转程度对结构稳定性影响微弱.能带结构分析发现,O原子的吸附使石墨烯由金属变成半导体,扭转形变发生时,可实现其从半导体到金属、再到半导体特性的转变.扭转角为12°的吸附O原子体系为间接带隙,而其他出现带隙的体系均为直接带隙.与本征石墨烯受扭体系相比,吸附O原子体系的电子结构对扭转形变的敏感度降低,其中扭转角在10°—16°范围内变化时,带隙始终稳定在0.11 eV附近,即在此扭转角范围内始终对应窄带隙半导体.在光学性能中,受扭转形变的吸附体系吸收系数和反射率峰值较未受扭转形变石墨烯吸附O原子体系均减弱,且随着扭转程度的加剧,均出现红移到蓝移的转变.     

三氧化钨表面氢吸附机理的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,在广义梯度近似下,研究了立方WO_3,WO_3(001)表面结构及其氢吸附机理.计算结果表明立方晶体WO_3理论带隙宽度为0.587 eV.WO_3(001)表面有WO终止(001)表面和O终止(001)表面两种结构,表面结构优化后W—O键长和W—O—W键角改变,从而实现表面弛豫;WO终止(001)表面和O终止(001)表面分别呈现n型半导体特征和p型半导体特征.分别计算了H原子吸附在WO终止(001)表面和O终止(001)表面的H—O_(2c)—H,H—O_(2c)…H—O_(2c),H—O_(1c)—H和H—O_(1c)…H—O_(1c)四种吸附构型,其中H—O_(1c)—H吸附构型的吸附能最小,H—O键最短,H失去电子数最多,分别为-3.684 eV,0.0968 nm和0.55e,此吸附构型最稳定.分析其吸附前后的态密度,带隙从吸附前的0.624 eV增加到1.004 eV,价带宽度基本不变.H的1s轨道电子与O的2p,2s轨道电子相互作用,在-8和-20 eV附近各形成了一个较强的孤立电子峰,两个H原子分别与一个O_(1c)原子形成化学键,最终吸附反应生成了一个H_2O分子,同时产生了一个表面氧空位.     

Co,Zn共掺铌酸锂电子结构和吸收光谱的第一性原理研究

利用基于密度泛函的第一性原理的计算方法,研究了Co单掺及Co和Zn共掺LiNbO_3晶体的电子结构和吸收光谱.研究显示,各掺杂体系铌酸锂晶体的带隙均较纯铌酸锂晶体变窄. Co:LiNbO_3晶体禁带宽度为3.32 eV; Co:Zn:LiNbO_3晶体, Zn的浓度低于阈值或达到阈值时,禁带宽度分别为2.87或2.75 eV. Co:LiNbO_3晶体在可见-近红外光波段2.40, 1.58, 1.10 eV处形成吸收峰,这些峰归结于Co 3d分裂轨道的跃迁;加入抗光折变离子Zn~(2+),在1.58, 1.10 eV处的吸收峰增强,可以认为Zn~(2+)与Co~(2+)之间存在电荷转移,使e_g轨道电子减少,但并不影响t_(2g)轨道电子.结果表明,晶体中的Co离子在不同共掺离子下可充当深能级中心(2.40 eV),或可充当浅能级中心(1.58 eV),两种情况下,掺入近阈值的Zn离子均有助于实现优化存储.     

锐钛矿相和金红石相Nb:TiO_2电学性质的GGA(+U)法研究

采用基于密度泛函理论第一性原理GGA和GGA+U相结合的方法研究了不同掺杂浓度下锐钛矿相和金红石相Nb:TiO2的晶体结构、电子结构以及稳定性.结果表明:锐钛矿相Nb:TiO2能带结构与简并半导体类似,呈类金属导电机理.金红石相Nb:TiO2呈半导体导电机理.Nb原子比Ti原子电离产生出更多的电子.锐钛矿相Nb:TiO2中Nb原子的电离率比金红石相Nb:TiO2的大.以上结果说明锐钛矿相Nb:TiO2比金红石相Nb:TiO2更适宜用作TCO材料;掺杂浓度对其杂质能级,费米能级和有效质量都有影响.Nb原子掺杂浓度越高,材料电离率呈降低趋势;形成能计算结果显示:在富钛条件下不利于Nb原子的掺杂,而在富氧条件下有利于Nb原子的掺杂.对于金红石相和锐钛矿相Nb:TiO2,不论是在贫氧或富氧条件下,随着Nb原子掺杂浓度的提高,形成能均增大.     

Nb掺杂γ-TiAl金属间化合物的电子结构与力学性能

运用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了Nb掺杂γ-TiAl金属间化合物的结构参数、能带结构、电子态密度及弹性常数.结果表明:Nb替代Ti掺杂相比Nb替代Al掺杂的形成能低,Nb在替位掺杂时更倾向于取代Ti原子形成稳定的结构,Nb替代Ti掺杂能够提高γ-TiAl金属间化合物的抵御塑性变形能力、断裂强度和延展性;与Nb替代Ti掺杂相比,Nb替代Al掺杂同样增强γ-TiAl金属间化合物的断裂强度且其增强延展性的效果更好,但抵御塑性变形的能力有所削弱.