立方相WO_3电子结构及其(001)活性表面吸附性能

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法探讨了WO3的电子结构和表面性能,进行了能带结构、态密度和有效电子质量的模拟计算,对WO3吸附12种原子后的吸附体系进行了理论分析。结果表明,WO3价带顶主要是由O的2p态电子构成,导带底主要是由W的5d态电子构成。当价带顶上的O-2p电子吸收能量后可跃迁至导带底的W的5d轨道上,同时在O-2p上产生空穴。其电子迁移率为1.35,表明其电子-空穴的分离率较高,光催化活性较强。探讨了WO3的(001)洁净表面对12种非金属原子的吸附情况,WO3吸附F原子后表面能最小。     

ATaO_3（A=K,Na）电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用第一性原理广义梯度近似（GGA）下的全电势线性缀加平面波（FP-LAPW）方法计算出立方相ATaO3（A=K,Na）的电子能带结构、态密度,发现了其光学性质.通过对两种材料的对比分析发现,KTaO3和NaTaO3价带顶均出现在0.15089eV处,KTaO3的导带底在2.02849eV处,NaTaO3的导带底在2.27339eV处,NaTaO3比KTaO3的导带底高,因而禁带宽度较大;NaTaO3中Ta5d电子和O2p电子之间的轨道杂化比KTaO3中的轨道杂化弱,Na的粒子性较K更强,因此,NaTaO3的光催化活性明显大于KTaO3.     

AlN能带及态密度的密度泛函理论研究

文章采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势法计算了A lN晶体的能带结构和态密度曲线。研究表明,A lN的价带由-15.3eV－-12.3eV的下价带和-6.2eV－0eV的上价带区组成,价带顶出现三个子带：简并的重空穴、轻空穴和自旋-轨道耦合所分裂出来的劈裂带（距带顶0.2eV）;导带主要是由A l的3s、3p态电子和N的2p态电子构成的;理论预测A lN价带空穴具有大的有效质量;A lN是一种直接宽禁带半导体,带隙为4.7eV,比较起来该结果优于一些文献中的计算值。     

ZnO晶格常数优化和电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)框架下局域密度近似平面波超软赝势法,计算了纤锌矿ZnO的晶格常数、弹性模量、能带结构和态密度。理论预测ZnO是一种直接禁带半导体材料,导带底和价带顶都位于布里渊区中心G点处。计算结果与其他文献结果吻合较好,为ZnO光电材料的设计与应用提供了理论依据。     

考虑禁带情况下半导体的电子与空穴分布

在考虑禁带特性的情况下,从理论上探讨了半导体中电子与空穴的分布．以Si为例,利用MATLAB定量分析了不同能量时本征Si半导体中电子占据导带底的几率-温度关系和不同温度时电子占据导带底的几率-能量关系．分析结果表明：导带中绝大多数电子分布在导带底附近,价带中绝大多数空穴分布在价带顶附近;温度越高,电子占据导带底的几率越大,温度每升高20K,电子占据的几率增加大约4到5倍;导带中能级具有的能量越高,电子占据该能级的几率越低,能量每增加0．02eV,电子占据的几率下降大约1／2．     

软岩中的蒙脱石原子和电子结构

蒙脱石是一种粘土矿物,为了解决软岩隧道工程中经常遇到的软岩中的蒙脱石吸水导致软岩隧道大变形的工程安全问题,需从微观的角度研究蒙脱石的物理和化学性质.使用基于密度泛函理论(DFT)的局域密度近似(LDA)方法来研究蒙脱石的原子和电子结构.计算结果表明:Al-O的键长比Si-O的键长长,蒙脱石的价带顶(VBM)和导带底(CBM)都位于Γ点,禁带宽度为5.35 e V.研究表明:蒙脱石中阳离子和氧阴离子之间的化学键主要是离子键,同时也有少量的共价键,蒙脱石的价带顶(VBM)和导带底(CBM)分别由氧2p态和金属阳离子态组成.该计算结果有利于了解蒙脱石的化学和物理性质,对解决软岩隧道大变形的问题提供理论指导.     

GaAs高过超能量态电子自旋相干动力学研究

研究了9.6K低温下、本征GaAs高过超能量态电子自旋相干动力学的浓度依赖,发现当光子能量为1.57eV,载流子浓度增大至2.65×1017cm-3时电子自旋相干量子拍的相位翻转180°。理论计算表明量子拍的相位翻转为区分轻、重空穴系统提供了重要依据,当载流子浓度大于2.6×1017cm-3时,量子拍的振幅主要起源于重空穴价带-导带跃迁,当载流子浓度小于2.6×1017cm-1时,量子拍的振幅主要起源于轻空穴价带-导带跃迁。因而,分别在轻空穴价带-导带系统和重空穴价带-导带系统实验测量电子自旋相干动力学成为可能,实验数据表明在轻空穴价带-导带系统测得的电子自旋相干弛豫时间明显大于在重空穴价带-导带系统测得的电子自旋相干弛豫时间。     

闪锌矿结构ZnSe的光电性质和有效质量研究

为了研究红外透光闪锌矿ZnSe晶体光学性质和电学性质的内在机理。通过第一性原理的密度泛函理论,借助超软平面波赝势,计算了ZnSe晶体的能带结构和态密度,分析了反射光谱、吸收光谱和介电常数。基于有效质量的近似理论,计算了价带顶端附近电子的有效质量。研究结果表明:ZnSe晶体属于直接带隙半导体材料,反射峰的出现主要是因为Se原子的4p电子和Zn原子的3d态电子向导带跃迁,介电峰的分布与电子结构直接相关,介电峰主要是由于Zn的3d和Se的4p轨道价带向Zn的4s和Se的4s轨道导带的过渡。分析了价带顶端的电子有效质量,计算结果与文献资料基本一致,发现载流子的有效质量具有各向异性,k_a方向的电子和空穴的有效质量均较小。从而挖掘了ZnSe晶体的光电性质与有效质量的内在本质,这些分析结果对Ⅱ-Ⅵ族半导体光电子材料具有非常重要的参考价值。     

V掺杂ZnO性质的第一性原理研究

采用第一性原理平面波超软赝势,计算了纤锌矿ZnO和不同浓度的V掺杂ZnO晶体的能带结构、态密度和分波态密度.计算表明,V的掺杂导致ZnO晶格发生了微小膨胀,禁带宽度变窄,体系引入的杂质能级靠近导带底,费米能级进入了导带并且穿插在杂质能级中,自旋态密度分布具有不对称性,自旋向上的电子数比自旋向下的电子数多,对态密度进行积分后发现V掺杂ZnO体系表现出净磁矩,具有磁性.当V掺杂后,V-3d态电子与O-2p态电子的态密度分布大部分重合,形成了pd杂化.     

CdS电子结构和光学性质的研究

理论计算CdS晶格常数为0．5832nm与实验值0．5818nm比较,误差小于1％．理论预测CdS是一种直接宽禁带半导体材料,导带底和价带顶都位于布里渊区中心G点处,直接带隙为1．25eV,比实验值2．42eV小,这是由于密度泛函理论框架决定的．CdS的下价带主要由Cd的4d电子贡献,上价带主要由S的3p电子形成,CdS的导带主要来源于Cd的5S电子和S的3P电子的贡献．CdS晶体中Cd原子失去电子,为电子的给予体,S原子得到电子,是电子受主,且Cd--S键是共价键．Cd—S距离为2．52533A,与实验值0．253nm相比更加精确．其介电函数虚部与吸收光谱以及介电函数实部与折射率的峰值位置十分接近,说明它们之间存在内在联系,都与电子态密度分布直接相关．     

碳纳米管超晶格结构的第一性原理

针对掺杂N、B、Si的碳纳米管超晶格的电子结构及拉伸性能,运用第一性原理进行了相关研究.结果表明,碳纳米管超晶格会形成类似管状结构.不同掺杂元素导致碳纳米管超晶格的结构稳定性有所不同.碳纳米管经掺杂后,能带中的能隙由半导体性转变为金属性,且费米能级处的态密度值增大,表明碳纳米管超晶格的物理化学活性增强,而结构稳定性降低.对于碳纳米管超晶格而言,结构稳定性从高至低依次为3×1碳氮、1×1碳硼和3×1碳硼纳米管超晶格.     

碳化硅晶体的可见近红外透射光谱分析

利用紫外可见分光光度计和红外光谱测量系统,在室温下分别测量了本征和掺氮6H-SiC单晶的可见和近红外透射光谱.由光谱分析可知,6H-SiC单晶在可见及近红外区是透明的,而掺氮导致SiC单晶在可见和近红外区都有吸收,掺杂还使得带隙变窄.利用透射光谱,得到6H-SiC单晶在可见和近红外区的色散关系曲线和色散方程.此外,对掺...     

Electronic Band Structures of TiO2 with Heavy Nitrogen Doping

The first-principles density-functional calculation was conducted to investigate the electronic band structures of titanium dioxide with heavy nitrogen doping (TiO2-xNx).The calculation results indicate that when x≤0.25,isolated N 2p states appear above the valence-band maximum of TiO2 without a band-gap narrowing between O 2p and Ti 3d states.When x≥0.50,an obvious band gap narrowing between O 2p and Ti 3d states was observed along with the existence of isolated N 2p states above the valence-band of TiO2,indicating that the mechanism proposed by Asahi et al operates under heavy nitrogen doping condition.     

Mn掺杂c-ZrO2电子和光学性质的第一性原理研究

基于DFT+U第一性原理计算,预测了过渡金属锰（Mn）掺杂立方氧化锆（c-ZrO₂）体系的电子和光学性质。当c-ZrO₂中的Zr原子被Mn原子取代后,体系的电子态密度图表明体系的带隙减小,同时价带顶的电子密度明显增加使得价带展宽约5%。在自旋向上通道中,费米面附近的电子密度源于Mn 3d电子与O 2p电子的强烈混合,使得掺杂体系具有半金属铁磁性能,这也可能是引起体系带隙减小的原因。本研究还表明,通过Mn掺杂,体系折射率明显增加,在约为2.8 eV 低能区域形成新的坡度陡峭的光吸收峰,这一发现使Mn掺杂c-ZrO₂用作光吸收材料成为可能。通过Zener双交换机制解释了体系的铁磁性能,该理论也曾用于解释其他化合物;同时也探讨了体系的电子结构和光学性质之间的联系。     

Sr和Nd掺杂对La_（9.33）（SiO_4）_6O_2电解质性能的影响

采用尿素-硝酸盐燃烧法对磷灰石型LSO电解质进行了三价稀土元素Nd和二价碱土元素Sr的La位掺杂,对合成样品进行XRD、SEM分析表征,并测试和分析了样品的电导率.结果表明：Sr、Nd掺杂对LSO的晶体结构、物相和形貌产生的影响很小,而适量的掺杂可有效提高LSO的氧离子传输性能.当掺杂x=0.3时,La9.33Mx（SiO4）6O2＋δ（M=Sr、Nd）具有最高离子电导率,La9.33M0.3（SiO4）6O2＋δ在500℃时的电导率分别为7.248×10-3S.cm-1、1.782×10-2S.cm-1.Nd掺杂不仅可以提高电导率,还可以降低传导活化能,相比于Sr掺杂更有利于LSO在中低温SOFCs中的应用.实验认为,Sr、Nd掺杂的LSO属于间隙氧传导机制,掺杂可以提高间隙氧的数量,间隙氧相比阳离子空位对LSO电导率的影响更大.     

Synthesis, characterization, and theoretical study of N, S-codoped nano-TiO2 with photocatalytic activities

Nitrogen and sulfur doped titanium dioxide photocatalysts were prepared by the sol-gel method.The products were characterized by X-ray diffraction(XRD),transmission electron microscopy(TEM),and UV-visible diffuse reflectance spectra(DRS).Photocatalytic activities of the samples were investigated on the degradation of methyl orange(MO).The effect of the dopants on the electronic structure of TiO2 was studied by the first-principles calculations based on the density functional theory(DFT).The orbital hybridization resulted in energy gap narrowing and electronic delocalization in the crystal of doped TiO2.Mobile electrons of varied energetic states could offer enhanced electron transfer,together with optical absorption improvement.The results show that the doping elements of N and S play a cooperative role in the modification of elecconic structure,which enhances the photocatalytic performance.The experimentally observed absorption edges of N-doped TiO2,S-doped TiO2,and N,S-codoped TiO2 are 420,413,and 429 nm,respectively,which can be explained by the theoretical calculation results.