Cr掺杂浓度对AlN半金属性影响的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法, 在广义梯度近似(GGA)下计算了掺杂过渡金属Cr原子后AlN晶体自旋极化的能带结构、分态密度等性质. 结果表明, 半金属能隙随着掺杂浓度的增大而减小. 文中以掺杂浓度为12.5%的Cr-AlN(2×2×1)为例, 分析了其自旋极化的能带结构、分态密度和磁矩等性质, 发现Cr-3d电子对自旋向下子带导带底的能量位置起决定作用. 随着掺杂浓度的增大, Cr原子间相互作用增强, Cr-3d能带向两边展宽, 导致自旋向下子带导带底的能量位置下降, 从而半金属能隙变窄.     

新型半金属材料—Cr掺杂纳孔结构AlN的第一性原理研究

采用基于密度泛函的第一性原理,研究纳孔结构AlN的稳定性及Cr掺杂纳孔结构AlN的能带结构、态密度、磁矩等性质. 结果表明,纳孔结构AlN具有高于岩盐矿结构AlN的稳定性,并在一定压强条件下可实现纤锌矿AlN到纳孔结构AlN的转变;Cr掺杂纳孔结构AlN后,能带结构和态密度均显示半金属性特征; Al23CrN24和Al22Cr2N24的磁矩分别为3B、6B,进一步说明Cr掺杂纳孔结构AlN晶体是半金属铁磁体.     

新型半金属材料-Cr掺杂纳孔结构AlN的第一性原理研究

采用基于密度泛函的第一性原理,研究纳孔结构AlN的稳定性及Cr掺杂纳孔结构AlN的能带结构、态密度、磁矩等性质.结果表明,纳孔结构AlN具有高于岩盐矿结构AlN的稳定性,并在一定压强条件下可实现纤锌矿AlN到纳孔结构AlN的转变;Cr掺杂纳孔结构AlN后,能带结构和态密度均显示半金属性特征;Al23CrN24和Al22Cr2N24的磁矩分别为3+B、6+B,进一步说明Cr掺杂纳孔结构AlN晶体是半金属铁磁体.     

稀土元素La掺杂对AlN性能影响的第一性原理研究

本文通过基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了稀土元素La掺杂对纤锌矿结构AlN力学性能及压电性能的影响.计算得到的AlN各项力学性能及压电性能与实验值较吻合.掺杂稀土元素La会降低其体模量、剪切模量与杨氏模量,但会使AlN由脆性材料转变为韧性材料.压电性能计算结果表明,掺杂稀土元素La后,可使体系的压电性能提升15%左右.电子结构分析结果表明La的引入会降低体系中化学键的作用强度,从而提升了体系的塑性及压电性能.     

Ag掺杂AlN半导体光电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平面波超软赝势法,对Ag掺杂AlN 32原子超晶胞体系进行几何结构优化,计算并分析体系的电子结构、磁性和光学性质.结果表明:Ag掺杂后,Ag4d态电子与其近邻的N2p态电子发生杂化,引入杂质带形成受主能级,实现p型掺杂,使体系的导电能力增强,同时表现出金属性和弱磁性,其净磁矩为1.38μ_в.掺杂形成的N-Ag键电荷集居数较小,表现出强的离子键性质.掺杂后体系的介电函数虚部和光吸收谱在低能区出现新的峰值,同时复折射率函数在低能区发生变化,吸收边向低能方向延展,体系对长波吸收加强,能量损失明显减小.     

VO_2晶体电子结构及其掺杂的第一性原理研究

运用密度泛函平面波赝势(PWP)和广义梯度近似(GGA)方法,对二氧化钒(VO2)两种不同晶体电子结构进行了计算.研究了低温单斜晶型和高温四方晶型结构的VO2电子态密度(DOS)和能带(energyband)结构,通过分析发现,四方晶的金属性比较明显,这是由于电子态密度和能带结构分析结果表明不同特性产生的原因是V原子的3d电子贡献不同导致的.本文中我们还将部分O原子替换为F原子后对单斜晶替位掺杂进行了的计算讨论,本文的计算结果都较好地符合实验结果,表明密度泛函平面波赝势和广义梯度近似方法可以用来描述VO2的结构和性质.我们认为,这种方法应用于描述氧化物的电子结构和性质是一种新的探索.     

C-Nb共掺杂SnO_2电子结构的第一性原理研究

本文利用第一性原理研究了C-Nb共掺杂的SnO_2稳定性、能带结构与态密度,从自旋向上和自旋向下的能带结构以及态密度分析了掺杂体系磁性产生的机理.研究结果表明,C-Nb共掺杂SnO_2体系的稳定性强于C,Nb单掺杂SnO_2体系;C,Nb单掺杂、C-Nb共掺杂的SnO_2体系的总磁矩分别为0μB、0.922μB、1.0μB;Nb掺杂SnO_2体系产生磁性在于Nb的d轨道引入,C-Nb共掺杂SnO_2体系产生磁性在于Nb的s轨道和C的p轨道相互作用.     

六方AlN本征缺陷的第一性原理研究

用基于密度泛函理论平面波赝势法首先对六方AlN本征点缺陷(氮空位、铝空位、氮替代铝、铝替代氮、氮间隙、铝间隙)存在时的晶格结构进行优化，得到其稳定结构；然后通过各缺陷形成能的计算可得知其在生长过程中形成的难易程度；最后从态密度的角度对各种本征点缺陷引起的缺陷能级及电子占据情况进行了分析.发现除氮空位外其他本征缺陷在带隙中形成的能级都很深，要得到n型或p型AlN必须要引入外来杂质.计算得到的本征缺陷能级对于分析AlN的一些非带边辐射机理有重要帮助. 关键词： 六方AlN 形成能 缺陷能级 态密度     

Mn-N共掺杂SnO2电子结构的第一性原理研究

基于第一性原理方法研究了Mn,N单掺SnO2及Mn-N共掺SnO2的能带结构以及态密度。研究结果表明：单掺和共掺均能使带隙值降低,态密度能量向低能级方向移动,费米能级附近出现杂质能级,材料导电性增强。Mn-N共掺SnO2材料与Mn单掺相比价带顶和导带顶能级出现分离,带隙中出现的杂质能级更多,Mn的分波态密度更加弥散, Mn-N共掺使Mn的掺入更加容易。     

Be、Mg掺杂AlN电子结构的第一性原理计算

基于密度泛函理论(Density Functional Theory)框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,计算分析了纤锌矿结构的AlN晶体和Be、Mg掺杂AlN晶体的晶格参数、结合能、能带结构、总体态密度、分波态密度、差分电荷分布及电荷集居数.计算结果表明:Be和Mg都是良好的p型掺杂剂,但是Be掺杂AlN晶体比Mg提供的空穴更多,Be比Mg更有利于AlN晶体的p型掺杂.     

Y、Zr、Nb掺杂ZnS半导体第一性原理计算

本文采用第一性原理研究了Y,Zr,Nb在Zn位掺杂ZnS半导体的能带结构和态密度.研究结果表明:Y,Zr,Nb掺杂体系的价带顶与导带底都在布里渊区的G点,为直接带隙半导体材料,掺杂对带隙宽度影响不大,掺杂结构的导带向低能区移动;Y,Zr,Nb在Zn位掺杂的Zn S的费米能级从价带顶移至导带底,说明掺杂后ZnS半导体材料从p型转变为n型,同时费米能级处出现数条杂质能级;Y,Zr,Nb掺杂体系的总态密度的贡献主要来源于Zn 4s、Y,Zr,Nb的4d 5s以及S 3p相互作用.     

TiO_2缺陷结构电子性质的第一性原理计算

本文采用第一性原理研究了O空位缺陷、Ti空位缺陷TiO_2的能带结构、总态密度、吸收谱.通过研究发现:与TiO_2超胞结构的能带相比,O空位缺陷体系的价带与导带能量均向低能区域移动,费米能级与导带底交错,呈现出n型半导体,Ti空位缺陷的TiO_2的费米能级与价带顶部的能级交错,为p型半导体材料.对于O空位缺陷TiO_2总态密度与分波态密度在低能区的态密度则主要由O的3s、3p轨道贡献的能量,而在费米能附近的态密度则主要由Ti的4d轨道贡献能量;Ti空位缺陷的态密度总态密度仍然由O的3s、3p和Ti的4d轨道贡献的能量;同时分析吸收光谱发现峰值下移较多的是钛缺陷体系,其原因在于Ti缺陷结构中未成键电子的相互作用.     

单层MoS_2表面吸附Ag_6团簇电子结构的第一性原理计算

本文运用第一性原理研究了单层MoS_2在S位吸附Ag_6团簇的稳定性、能带结构和态密度.结果表明,Ag_6团簇在S位单点位吸附的稳定性强于双点位吸附、三点位吸附;其中吸附体系禁带中产生了2条杂质能级,原因在于Ag原子与S形成共价键下的施主能级与受主能级;Ag_6团簇在单层MoS_2的吸附导致态密度峰值在费米能级处发生劈裂,说明Ag_6团簇的吸附会增强单层MoS_2的光电特性;单层MoS_2的能带结构可以通过表面吸附Ag_6团簇以及金属团簇进行调控;在实际的生产应用中依据不同的金属团簇吸附于单层MoS_2表面得到需要的的半导体器件.     

3d过渡金属磷系化合物半金属铁磁性的第一性原理研究

在基于密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA)下,采用第一性原理平面波赝势(PWP)方法,对3d过渡金属磷系闪锌矿结构的化合物XY(X=V、Cr、Mn,Y=P、As、Sb)的电子结构进行了计算,通过分析它们的能带结构、态密度、磁矩等,发现除闪锌矿结构的化合物MnP和MnAs不是真正的半金属铁磁体外,其余闪锌矿结构的化合物在能带结构和态密度均体现出半金属特征.     

C与Na掺杂AlN电子结构与光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)的平面波超软赝势法,计算了本征AlN,C-AlN,Na-AlN以及C-Na-AlN四种体系的电子结构和光学性质.得出结论：掺杂后各体系与本征AlN相比发生了晶格畸变,C-Na-AlN体系的结合能最小,体系最稳定.掺杂体系相比于本征AlN,禁带宽度都有不同程度的减小,导致电子在体系内跃迁时的概率增大,其中C-Na-AlN体系尤为明显,电子跃迁所需要的能量更小.掺杂后吸收带边发生了红移,拓宽了AlN体系对光的响应范围,增强了光吸收,并且C-Na-AlN体系在可见光区域内光吸收能力最强,在介电函数图的分析中可以得到,C-Na-AlN体系的介电常数最大,表明其电荷束缚能力最强,体系稳定性强,极化能力最好.     

掺杂GaN/AlN超晶格第一性原理计算研究

第一性原理计算方法在解释实验现象和预测新材料结构及其性质上有着重要作用. 因此, 通过基于密度泛函理论的第一性原理的方法, 本文系统地研究了Mg和Si掺杂闪锌矿和纤锌矿两种晶体结构的GaN/AlN超晶格体系中的能量稳定性以及电学性质. 结果表明: 在势阱层(GaN 层)中, 掺杂原子在体系中的掺杂形成能不随掺杂位置的变化而发生变化, 在势垒层(AlN层)中也是类似的情况, 这表明对于掺杂原子来说, 替代势垒层(或势阱层)中的任意阳离子都是等同的; 然而, 相比势阱层和势垒层的掺杂形成能却有很大的不同, 并且势阱层的掺杂形成能远低于势垒层的掺杂形成能, 即掺杂元素(Mg_Ga, Mg_Al, Si_Ga和Si_Al)在势阱区域的形成能更低, 这表明杂质原子更易掺杂于结构的势阱层中. 此外, 闪锌矿更低的形成能表明: 闪锌矿结构的超晶格体系比纤锌矿结构的超晶格体系更易于实现掺杂; 其中, 闪锌矿结构中, 负的形成能表明: 当Mg原子掺入闪锌矿结构的势阱层中会自发引起缺陷. 由此, 制备以闪锌矿结构超晶格体系为基底的p型半导体超晶格比制备n型半导体超晶格需要的能量更低并且更为容易制备. 对于纤锌矿体系来说, 制备p型和n型半导体的难易程度基本相同. 电子态密度对掺杂体系的稳定性和电学性质进一步分析发现, 掺杂均使得体系的带隙减小, 掺杂前后仍然为第一类半导体. 综上所述, 本文内容为当前实验中关于纤锌矿结构难以实现p型掺杂问题提供了一种新的技术思路, 即可通过调控相结构实现其p型掺杂.     

Electronic structures and magnetoelectric properties of tetragonal BaFeO3: an ab initio density functional theory study

First-principles calculations have been performed to investigate the ground state electronic properties of BaFeO₃ (BFO). Local spin density approximation (LSDA) plus U (LSDA+U) treatment modified the metallic behaviour to insulated one with a band gap of 4.12eV. The spontaneous polarization was found to be 89.3\muC/cm² with Berry phase scheme in terms of the modern theory of polarization. Fe-3d e_g were split into two singlet states (d_z² and d _x²-y²}), and Fe-3d t_2g were split into one doublet states(d_xz and d_yz) and one singlet states(d_xy) after Fe and O displaced along the c axis. Meanwhile the occupation numbers of d_z², d_yz, d_xz and O_T p_z (on the top of Fe) were increased at the expense of those in xy plane. Our results showed that it was the sensitivity of hybridization to ferroelectric distortions, not just the total change of hybridization, that produced the possibility of ferroelectricity. Moreover, the increasing occupation numbers of O_T p_z and Fe d_z² favoured the 180^o coupling between Fe-3d e_g and Fe-3d t_2g, leading to ferromagnetic ordering, which has been confirmed by the increase of magnetic moment by 0.13μ_B per formula unit in the polarized direction. Hence, the magnetization can be altered by the reversal of external electric field.