高温扩散工艺制备带隙可调的β-(AlxGa1-x)2O3薄膜

β-(Al_xGa_1-x)₂O₃因其优异的抗击穿及带隙可调节性在现代功率器件及深紫外光电探测等领域展现出巨大的应用前景，然而传统直接生长工艺的复杂性和难度限制了其进一步的发展。因此，本文采用较为简单的高温扩散工艺在c面蓝宝石衬底上成功制备了β-(Al_xGa_1-x)₂O₃纳米薄膜。利用X射线衍射、原子力显微镜、扫描电子显微镜和紫外-可见分光光度计对其进行了表征。由于高温下蓝宝石衬底中的Al原子向Ga₂O₃层扩散，β-Ga₂O₃薄膜将转变为Al、Ga原子比例不同的β-(Al_xGa_1-x)₂O₃薄膜。实验结果显示：当退火温度从1 010℃增加到1 250℃时，薄膜中Al的平均含量从0.033增加到0.371;当退火温度从950℃增加到1 250℃时...     

Mg,N掺杂β-Ga2O3光电性质的第一性原理计算

通过基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了Mg单掺杂、N单掺杂和不同浓度的Mg-N共掺杂β-Ga₂O₃的结构性质、电子性质和光学性质,以期获得性能比较优异的p型β-Ga₂O₃材料。建立了五种模型:Mg单掺杂、N单掺杂、1个Mg-N共掺杂、2个Mg-N共掺杂和3个Mg-N共掺杂β-Ga₂O₃。经过计算,3个Mg-N共掺杂β-Ga₂O₃体系的结构最稳定。此外,在5种模型中,3个Mg-N共掺杂β-Ga₂O₃体系的禁带宽度是最小的,并且N 2p和Mg 3s贡献的占据态抑制了氧空位的形成,从而增加了空穴浓度。因此,3个Mg-N共掺杂β-Ga₂O₃体系表现出优异的p型性质。3个Mg-N共掺杂体系的吸收峰出现明显红移,在太阳盲区的光吸收系数较大,这归因于导带Ga 4s、Ga 4p、Mg 3s向价带O 2p、N 2p的带间电子跃迁。本工作将为p型β-Ga₂O₃日盲光电材料的研究和应用提供理论指导。     

ε-(AlxGa1-x)2O3/ε-Ga2O3异质结电子输运性质研究

Ga₂O₃是一种新兴的宽带隙半导体,在电力和射频电子系统中具有潜在的应用前景。前期研究以β-Ga₂O₃为主,并且已经对β-(Al_xGa_1-x)₂O₃/Ga₂O₃异质结构中的二维电子气(2DEG)进行了理论计算,本文主要研究ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃作为势垒层对ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃/ε-Ga₂O₃异质结电子输运性质的影响,首先介绍了ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃/ε-Ga₂O₃异质结的结构和性质,分析计算了由于ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃/ε-Ga₂O₃异质结的自发极化和压电极化所产生的极化面电荷密度,以及极化对2DEG浓度产生的影响,接着分析了在不同Al摩尔组分下,ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃势垒层厚度与合金无序散射、界面粗糙度散射和极性光学声子散射之间的关系。最后通过计算得出结论:界面粗糙度散射和极性光学声子散射对ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃/ε-Ga₂O₃异质结的电子输运性质有重要影响,合金无序散射对异质结的输运性质影响较小;2DEG浓度、合金无序散射、界面粗糙度散射和极性光学声子散射的电子迁移率强弱由ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃势垒层的厚度和Al摩尔组分共同决定。     

Ni掺杂β-Ga2O3单晶的光、电特性研究

本文使用导模(EFG)法生长了Ni掺杂β-Ga₂O₃单晶，并通过粉末X射线衍射(PXRD)和劳厄衍射(Laue diffraction)分别验证了其晶体结构和晶体质量。进一步通过紫外-可见-近红外透过光谱及红外透过光谱研究了Ni²⁺掺杂对β-Ga₂O₃光学特性的影响，发现其(100)面的紫外截止边为252.9 nm,对应的光学带隙为4.74 eV。此外，阴极荧光(CL)光谱测试结果显示，Ni²⁺掺杂β-Ga₂O₃单晶在600～800 nm具有宽带近红外发光特性，有望拓宽β-Ga₂O₃单晶材料在宽带近红外方面的应用。     

激光浮区法生长TbYO3晶体

随着高功率固态激光器和光纤激光器的发展，对可见光-近红外区域的光学隔离器要求逐渐增加。目前设备原件正趋于小型化发展，工业应用最广泛的铽镓石榴石(TGG)晶体因其较小的Verdet常数，无法满足未来高功率激光器的需要。Tb₂O₃具有较高的Verdet常数，但是高熔点和相变机制使其难以通过常规提拉法进行单晶生长。本研究通过向Tb₂O₃中掺杂Y₂O₃,研究了不同掺杂浓度下(Tb_xY_1-x)₂O₃的晶体生长。在n(Tb)∶n(Y)=1∶1时，通过激光浮区(LFZ)法生长了TbYO₃单晶，而纯净的Tb₂O₃和(Tb_0.3Y_0.7)₂O₃单晶无法通过该方法合成。TbYO₃晶体具有较高的Verdet常数(445...     

NaCa2Mg2(VO4)3∶Eu3+颜色可调荧光粉的熔盐法合成及其发光性能研究

以廉价的NaCl为熔盐，采用熔盐法合成了NaCa_2-xMg₂(VO₄)₃∶xEu³⁺(0≤x≤0.10)系列颜色可调荧光粉，系统研究了合成条件、Eu³⁺掺杂对样品结构及发光性能的影响。结果表明，反应温度为800℃、反应时间为0.5 h、原料与熔盐的质量比为1∶3是合成NaCa₂Mg₂(VO₄)₃的适宜反应条件，所得样品为NaCa₂Mg₂(VO₄)₃纯相，且结晶度高。样品微观形貌随着反应温度的升高由珊瑚状演变为表面光滑的不规则多面体。Eu³⁺掺杂对NaCa₂Mg₂(VO₄)₃的晶体结构影响较小，但对其发光性能影响较大。随着Eu³⁺浓度(x)的增加，VO     

不同直径Cr:Al2O3圆柱晶体的制备及其光学性能研究

采用光学浮区法制备了不同Cr³⁺掺杂浓度的Cr∶Al₂O₃晶体，并根据需要制备了不同直径(2 mm至13 mm)的长度大于100 mm的圆柱状Cr∶Al₂O₃晶体。测量了在制备Cr∶Al₂O₃晶体不同阶段所获得的粉末料棒、陶瓷料棒和晶体的密度，分别为0.928、2.230和4.051 g/cm³。XRD图谱显示，Cr∶Al₂O₃晶体为α-Al₂O₃相。透射光谱表明，Cr∶Al₂O₃晶体可见光非特征吸收波段透过率大于80%。吸收光谱和光致激发光谱(监测669 nm光)均显示，Cr∶Al₂O₃晶体在418及559 nm处有较强吸收带，分别对应Cr³⁺从⁴A₂至⁴     

P和As掺杂Mn4Si7第一性原理计算

采用第一性原理计算方法,对本征Mn₄Si₇以及P和As掺杂的Mn₄Si₇的电子结构和光学性质进行计算解析。计算结果表明本征Mn₄Si₇是带隙值为0.810 eV的间接带隙半导体材料,P掺杂Mn₄Si₇的带隙值增大为0.839 eV,As掺杂Mn₄Si₇的带隙值减小为0.752 eV。掺杂使得Mn₄Si₇的能带结构和态密度向低能方向移动,同时使得介电函数的实数部分在低能区明显增大,虚数部分几乎全部区域增加且8 eV以后趋向于零。此外掺杂还增加了高能区的消光系数、吸收系数、反射系数以及光电导率,明显改善了Mn₄Si₇的光学性质。     

Gd2O3掺杂BiFeO3陶瓷的漏电流特性及磁性能研究

本文采用快速液相烧结法制备了Gd₂O₃掺杂BiFeO₃陶瓷，并对陶瓷样品进行了物相、形貌、漏电流特性和磁性能研究。XRD分析结果表明，Gd₂O₃的加入促进了富铋相(Bi₂₅FeO₄₀)的形成且使晶胞体积减小，同时陶瓷的物相由三方相向正交相转变；SEM分析结果表明，Gd₂O₃掺杂能起到细化陶瓷晶粒的作用；电学性能分析表明，陶瓷样品漏电流较大，但Gd₂O₃的掺杂可显著降低陶瓷的漏电流；漏电流特性分析结果表明，陶瓷在低电场下的漏电流特性是欧姆传导机制，在高电场下纯BiFeO₃陶瓷的漏电流特性为肖特基发射机制，但随着Gd₂O₃掺杂量的增加而逐渐变为空间电荷限制电流传导(SCLC)机制；磁性研究结果表明，掺杂引入的磁性Gd₂O₃颗粒均匀分布在陶瓷的晶...     

Mg-N阴阳离子共掺杂SnO2的第一性原理研究

基于密度泛函理论,利用第一性原理计算Mg-N阴阳离子双受主共掺杂SnO₂的电子结构、电荷密度分布和缺陷形成能.Mg、N分别取代SnO₂晶体中的Sn和O,掺杂浓度分别为4.17at;、2.08at;,Mg-N键之间的共价性明显高于Sn-O键,富氧条件下,Mg-N共掺杂的缺陷形成能为2.67 eV,有利于进行有效的受主替代掺杂.Mg单受主掺杂SnO₂时,增加了带隙宽度,费米能级进入价带,Mg-N共掺杂SnO₂时,带隙窄化,表现出明显的p型导电类型.     

Pd掺杂SnP3单层对SF6分解组分吸附的第一性原理研究

利用气敏传感器检测SF₆分解组分信息可评估GIS设备运行状态，及早发现绝缘缺陷。金属掺杂的SnP₃单层有着良好的吸附性能，在气体检测领域具有应用前景。本文基于第一性原理计算并分析了Pd-SnP₃单层吸附SO₂、H₂S、SOF₂和SO₂F₂后体系的吸附能、态密度、能隙与解吸时间等参数，探讨其用于气体传感器的可能性。结果表明：在吸附性能方面，Pd-SnP₃单层仅对SO₂F₂发生了化学吸附，且结合态密度、差分电荷密度与转移电荷分析进一步验证了该材料对SO₂F₂的吸附效果明显优于SO₂、H₂S和SOF₂;在传感特性方面，仅有SO₂F₂的吸附使体系的能隙发生了明显变化，且该气体可在398 K及以上温度下从P...     

(La,Y)掺杂AlN的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平面波超软赝势方法对纯AlN、(La,Y)单掺杂以及La-Y共掺杂AlN 超胞进行几何结构优化,计算了稀土元素(La,Y)掺杂前后体系的能带结构、态密度和光学性质。结果表明:未掺杂的AlN是直接带隙半导体,带隙值为E_g=4.237 eV,在费米能级附近,态密度主要由Al-3p、N-2s电子轨道贡献电子,光吸收概率大,能量损失较大;掺杂后使得能带结构性质改变,带隙值降低,能带曲线变密集,总态密度整体下移;在光学性质中,稀土元素掺杂后均提高了静态介电常数、光吸收性能,增强了折射率和反射率,减小了电子吸收光子概率及能量损失;其中La-Y共掺体系变化得较为明显。     

微下拉法生长Tb3AlxGa5-xO12磁光晶体及其性能表征

Tb₃Ga₅O₁₂晶体是一种具有良好磁光性能的主流商用材料，但生长过程中存在严重的氧化镓挥发问题，导致晶体难以满足高功率应用的发展需求，而菲尔德常数较大的Tb₃Al₅O₁₂晶体的不一致熔融特性使该晶体难以生长，因此亟需探索新型高质量磁光晶体以满足高功率应用需求。基于此，本文采用微下拉法在高纯氩气和二氧化碳混合气氛下生长了Tb₃Al_xGa_5-xO₁₂(TAGG)系列高掺铝磁光晶体。摇摆曲线测试结果表明TAGG磁光晶体拥有高结晶质量。透过光谱和磁光特性测试结果表明，与传统Tb₃Ga₅O₁₂晶体相比，TAGG磁光晶体具有更高的透过率和更大的菲尔德常数，是一种非常有潜力的可应用于高功率激光系统的低成本磁光材料。     

超宽禁带半导体β-Ga2O3相关研究进展

氧化镓(β-Ga₂O₃)是一种超宽禁带氧化物半导体材料,其相关研究起源于日本。21世纪初,日本东北大学利用浮区法获得了多晶向的高质量β-Ga₂O₃单晶晶圆,京都大学开展了β-Ga₂O₃薄膜外延研究并获得了高质量的同质外延片。在此基础上,日本信息通信研究机构于2012年构建了第一个β-Ga₂O₃金属半导体场效应晶体管(MESFET),证明了β-Ga₂O₃在功率器件领域拥有巨大潜能,开启了β-Ga₂O₃研发的新纪元。此后,国际上众多机构加入了β-Ga₂O₃单晶、外延、器件的研发潮流。随着研发工艺的进步,β-Ga₂O₃基功率器件的耐压上限一次次被刷新。本文梳理了β-Ga₂O₃单晶、外延、器件发展的时间线,汇总分析了β-Ga₂O₃功率器件的研究现状,指出存在的问题和可能的解决方案,并对其未来进行了展望,期望为以后的技术发展提供参考。     

K、Ti掺杂Mg2Si电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用第一性原理方法,对本征Mg₂Si以及K和Ti掺杂Mg₂Si的几何结构、电子结构和光学性质进行计算分析。计算结果表明本征Mg₂Si是带隙值为0.290 eV的间接带隙半导体材料,K掺杂Mg₂Si后,Mg₂Si为p型半导体,电子跃迁方式由间接跃迁变为直接跃迁,Ti掺杂Mg₂Si后,Mg₂Si为n型半导体,仍然是间接带隙。K、Ti掺杂后的静介电常数ε₁(0)从20.52分别增大到53.55、69.25,使得掺杂体系对电荷的束缚能力增强。掺杂后,吸收谱和光电导率均发生红移现象,这有效扩大了对可见光的吸收范围,此外可见光区的吸收系数、反射系数以及光电导率都减小,导致透射能力增强,明显改善了Mg₂Si的光学性质。     

ZnAl2O4的电子结构及光学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对ZnAl2O4的能带结构、态密度、布居分布及光学性质进行了理论计算。结果表明:ZnAl2O4为直接带隙半导体,能带宽度为3.91 eV;价带主要由O2p态和Zn3d态构成,导带主要由Al3s,3p态构成;ZnAl2O4为离子和共价兼有的化合物;并利用计算的能带结构和态密度分析了ZnAl2O4材料的复介电函数,光电导率,折射率以及消光系数等光学性质。且静态介电函数ε1(0)=3.35,静态折射率n0=1.83。     

Mn2+掺杂Gd2O3∶Yb3+,Er3+花状微晶的制备及上转换发光性能

为了获得具有明亮红光发射的上转换发光材料，采用简单的化学沉淀法制备了一系列Yb³⁺、Er³⁺、Mn²⁺掺杂的Gd₂O₃微晶，并对其形貌、结构和发光性能进行了表征。结果表明，Gd₂O₃∶10%Yb³⁺,1%Er³⁺微晶呈花状，平均粒径为2.28μm,经高温煅烧后呈现结晶性良好的立方相Gd₂O₃结构，且少量Mn²⁺掺杂并不会影响微晶的形貌和晶相。在980 nm近红外光激发下，Gd₂O₃∶10%Yb³⁺,1%Er³⁺微晶表现为橙红色发光，归属于Er³⁺的⁴F_9/2→⁴I_15/2跃迁。同时，随着Mn²⁺掺杂浓度x(原子...     

Fe掺杂α-Bi2O3光电性质的第一性原理研究

采用第一性原理杂化泛函HSE06方法对Fe掺杂α-Bi₂O₃的电子结构和光学性质进行了计算研究。结果表明,Fe掺杂α-Bi₂O₃体系有较小的结构变形,本征α-Bi₂O₃的禁带宽度为2.69 eV,Fe掺杂使α-Bi₂O₃的禁带宽度减小(约为2.34 eV)。对其光学性质研究得出Fe掺杂扩展了α-Bi₂O₃对可见光的吸收范围,即发生了红移,从而为Fe掺杂α-Bi₂O₃在光催化领域中的应用提供了理论依据。     

Y掺杂WS2二维材料的第一性原理研究

WS₂由于其优异的物理和光电性质引起了广泛关注。本研究基于第一性原理计算方法,探索了本征单层WS₂及不同浓度W原子替位钇(Y)掺杂WS₂的电子结构和光学特性。结果表明本征单层WS₂为带隙1.814 eV的直接带隙半导体。进行4%浓度(原子数分数)的Y原子掺杂后,带隙减小为1.508 eV,依旧保持着直接带隙的特性,随着Y掺杂浓度的不断增大,掺杂WS₂带隙进一步减小,当浓度达到25%时,能带结构转变为0.658 eV的间接带隙,WS₂表现出磁性。适量浓度的掺杂可以提高材料的导电性能,且掺杂浓度增大时,体系依旧保持着透明性并且在红外光和可见光区对光子的吸收能力、材料的介电性能都有着显著提高。本文为WS₂二维材料相关光电器件的研究提供了理论依据。     

生长气压对分子束外延β-Ga2O3薄膜特性的影响

本文采用分子束外延技术在具有6°斜切角的c面蓝宝石衬底上外延β-Ga₂O₃薄膜,系统研究了生长气压对薄膜特性的影响。X射线衍射谱和表面形貌分析表明,不同生长气压下所外延的薄膜表面平整,均具有(201)择优取向。并且,其结晶质量和生长速率均随生长气压增大而逐渐提高。通过X射线光电子能谱分析发现,生长气压增大使得氧空位的浓度大幅下降,高价态Ga比例增大,最终使得O/Ga原子数之比接近理想Ga₂O₃材料的化学计量比值。利用Tauc公式和乌尔巴赫带尾模型进行计算,结果表明随着生长气压的增大,样品的光学带隙由4.94 eV增加到5.00 eV,乌尔巴赫能量由0.47 eV下降到0.32 eV,证明了生长气压的增大有利于降低薄膜中的缺陷密度,提高薄膜晶体质量。