Nb-X(X=Y,Zr)共掺杂SnO_2电子结构的第一性原理研究

本文采用第一性原理方法研究了Nb-X(X=Y,Zr)共掺杂SnO_2能带结构与态密度,探讨了其磁性产生的机理.研究结果表明,Nb-Y共掺杂SnO_2体系自旋向上和自旋向下的能带、态密度完全对称,总磁矩为0μB;Nb-Zr共掺杂的SnO_2体系自旋向上和自旋向下的能带与态密度在费米能级处都出现了不对称的情况,出现耦合现象,其总磁矩为0.933μB;分析Nb-Y共掺杂SnO_2的能带结构与态密度得到自旋向上和自旋向下的能带禁带中的4条杂质能级来源于Nb-Y共掺杂SnO_2电子的施主与受主能级;NbZr共掺杂SnO_2体系产生磁性的原因在于Nb和Zr的d轨道的引入.     

第一主族元素(Li,Na,K)和第二主族元素(Be,Mg,Ca)掺杂二维六方氮化硼单层的第一性原理计算研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了第一、第二主族元素取代六方BN单层中的B的几何结构、磁性性质和电子结构.研究发现,掺杂的BN单层出现明显的自旋极化特性.对Li,Na,K而言,掺杂后超胞的总磁矩为2μB,对Mg,Ca而言,超胞的总磁矩为1μB,磁矩主要局域在与杂质原子最近邻的N原子上.而对于Be,超胞的总磁矩为0.705μB,磁矩分散在所有的N原子上.对于6种掺杂情况,给出了相应的自旋密度图.掺杂体系产生明显的杂质能级,给出了总态密度和局域投影态密度等结果,分析了杂质能级的产生.发现Mg和Ca掺杂体系的态密度具有明显的半金属特性.     

SrRuO_3的电子结构与磁性研究

用自洽的全势能线性丸盒轨道能带方法计算了氧化物体系SrRuO3(SRO)的电子结构和磁性 .对于理想的立方钙钛矿结构的计算得出的电子结构明显改善了已有的计算结果 :每个元胞的磁矩为 1 2 9μB ,按原子球划分为 0 84μB Ru原子和 0 11μB O原子 ;Sr原子上的自旋磁矩几乎为零 ;费米能级处的态密度N(EF)为 4 3 5 (states Ryd f.u .) .关于实际的正交结构SRO ,计算得出磁矩为 1 0 8μB f.u .的铁磁性基态 ,费米能级处的态密度N(EF)为 61 0(states Ryd f.u .) ,电子线性比热系数γ为 10 60mJ mol·K2 .结果说明SRO是一宽能带的巡游铁磁性体系 .     

Mn掺杂对半金属铁磁体Fe_2Si电磁特性的影响

此文用基于密度泛函理论第一性原理的贋势平面波方法,计算了Fe_2Si及Mn掺杂Fe_2Si体系的能带结构、电子态密度和磁学特性,分析了不同位置Mn掺杂对Fe_2Si电磁特性的影响,获得了纯的和不同位置Mn掺杂的Fe_2Si体系是铁磁体,自旋向上的能带结构穿过费米面表现金属特性,纯Fe_2Si的半金属隙为0.164e V;Mn掺杂在Fe1位时,自旋向下部分转变为A-M间的间接带隙半导体,体系呈现半金属特性,此时磁矩为2.00μB,是真正的半金属性铁磁体;掺杂在Fe2位时,自旋向下部分的带隙值接近于0,体系呈现金属特性;掺杂在Fe3位时,自旋向下部分转变为L-L间的直接带隙半导体,体系呈现半金属特性等有益结果 .自旋电荷密度分布图表明Mn原子的3d电子比较局域,和周围原子成键时3d电子更倾向于形成共价键.体系的半金属性和磁性主要来源于Fe-3d电子与Mn-3d电子之间的d-d交换,Si-3p电子与Fe、Mn-3d电子之间的p-d杂化.这些结果为半金属铁磁体Fe_2Si的电磁调控提供了有效的理论指导.     

第一性原理研究闪锌矿结构CrSe和CrAs半金属铁磁性的稳定性

运用第一性原理的全势能线性缀加平面波方法对闪锌矿结构CrSe和CrAs的电子结构进行自旋极化计算.闪锌矿结构CrSe和CrAs处于晶格平衡时都具有半金属性,它们自旋向下的电子能带带隙分别为3.38 eV和1.79 eV,同时,它们的自旋总磁矩分别为4.00和3.00μ_B/formula.自旋总磁矩主要来源于Cr的原子磁矩,Se和As的原子磁矩对总磁矩的贡献很小而且为负值,因而它们具有明显的铁磁性特征.使晶体晶格在±10%的范围内发生各向同性形变,对闪锌矿结构CrSe和CrAs的电子结构进行计算.计算结果表明,当晶格各向同性形变分别为-4%～10%和-2%～10%时,闪锌矿结构CrSe和CrAs仍然保持半金属铁磁性,并且总磁矩都稳定于4.00和3.00μ_B/formula.     

第一性原理研究闪锌矿结构CrSe和CrAs半金属铁磁性的稳定性

运用第一性原理的全势能线性缀加平面波方法对闪锌矿结构CrSe和CrAs的电子结构进行自旋极化计算。闪锌矿结构CrSe和CrAs处于晶格平衡时都具有半金属性,它们自旋向下的电子能带带隙分别为3.38eV 和1. 79eV,同时,它们的自旋总磁矩分别为4.00和3.00μB/formula。自旋总磁矩主要来源于Cr的原子磁矩,Se和As的原子磁矩对总磁矩的贡献很小而且为负值,因而它们具有明显的铁磁性特征. 使晶体晶格在±10%的范围内发生各向同性形变,对闪锌矿结构CrSe和CrAs的电子结构进行计算. 计算结果表明,当晶格各向同性形变分别为-4 % ~ 10 %和-2 % ~10 %时,闪锌矿结构CrSe和CrAs仍然保持半金属铁磁性,并且总磁矩都稳定于4.00和3.00μB/formula.     

Cu、Ag和Au掺杂AlN的电磁性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论（DFT）的平面波超软赝势法,研究了Cu、Ag、Au掺杂AlN的晶格常数、磁矩、能带结构和态密度。电子结构表明,Cu、Ag、Au的掺杂使在带隙中引入了由杂质原子的d态与近邻N原子的2p态杂化而成的杂质带,都为p型掺杂,增强了体系的导电性。Cu掺杂AlN具有半金属铁磁性,半金属能隙为0.442eV,理论上可实现100%的自旋载流子注入;Ag掺杂AlN具有很弱的半金属铁磁性;而Au掺杂AlN不具有半金属铁磁性。因此,与Ag、Au相比,Cu更适合用来制作AlN基稀磁半导体。     

MgCNi3的电子结构、光学性质与超导电性

用第一性原理的密度泛函能带计算方法研究了新近发现的超导体MgCNi3的电子能带结构.计算结果表明其电子结构的基本特征是：Ni的3d态和C的2p态的杂化组成了MgCNi3的导带，费米面附近的物理性质主要由来源于Ni的3d电子态决定.在费米能级(EF)以下30eV的范围内，Ni 3d态构成了能带色散微弱的密集电子态，EF恰好落在Ni 3dyz+zx和3d3z2-r2电子态密度.C 2p态分布在EF以下40—70eV的区域内，Mg主要是以二价离子Mg2+的形式存在.Mg原子的掺杂导致了Ni原子的3d态基本上全部占据，引起Ni原子磁矩的消失.费米能级EF处的态密度N(ＥＦ)是550(states/eV·cell)，由此得到的Sommerfeld常数γeal～445mJ/mol·K2.基于第一性原理的光学性质的计算结果表明：在0—12eV的范围内光吸收主要是从占据的Ni 3d态向C　2p和Ni4s的跃迁.根据这些结果得出结论：MgCNi3的超导电性基本上是强耦合的BCS电子-声子作用机理. 关键词： MgCNi3 高温超导体 电子结构 光学性质     

超晶格SnO2掺Cr的电子结构和光学性质的研究

基于密度泛函理论的第一性原理,采用全势线性缀加平面波方法(FPLAPW)和广义梯度近似(GGA)来处理相关能,计算了Cr掺杂SnO₂超晶格的电子态密度、能带结构、介电函数、吸收系数、反射率和折射率.研究表明由于Cr的掺入,超晶格SnO₂在费米能级附近形成了新的电子占据态,出现了不连续的杂质能带,这是由Cr-3d态和O-2p,Sn-5s态电子所形成.介电谱在0—5.5 eV之间时出现了三个新的介电峰,在高能区介电谱主峰位置发生蓝移,峰值强度减小.吸收谱、反射谱和折 关键词： 超晶格 第一性原理 态密度 电子结构     

第一性原理研究闪锌矿结构MnSb和MnBi半金属性和磁性的稳定性

采用基于第一性原理的全势能线性缀加平面波方法对闪锌矿结构MnSb和MnBi的电子结构进行自旋极化计算.闪锌矿结构MnSb和MnBi处于晶格平衡时都是半金属性的,并且它们自旋向下电子能带带隙分别是1.32 eV和1.27 eV.闪锌矿结构MnSb和MnBi的自旋总磁矩都为4.00μB/formula,总磁矩主要来源于Mn的原子磁矩,Sb和Bi的原子磁矩对总磁矩的贡献很小而且为负值,它们具有明显的铁磁性特征.使晶体晶格在±10％的范围内发生各向同性形变,对闪锌矿结构MnSb和MnBi的电子结构进行计算.计算结果表明,当晶格各向同性形变分别为-1％～10％和-4％～10％时,闪锌矿结构MnSb和MnBi仍然保持半金属铁磁性,并且总磁矩都稳定于4.00μs/formula.     

第一性原理研究闪锌矿结构MnSb和MnBi半金属性和磁性的稳定性

采用基于第一性原理的全势能线性缀加平面波方法对闪锌矿结构MnSb和MnBi的电子结构进行自旋极化计算。闪锌矿结构MnSb和MnBi处于晶格平衡时都是半金属性的,并且它们自旋向下电子能带带隙分别是1.32eV 和1.27eV。闪锌矿结构MnSb和MnBi的自旋总磁矩都为4.00μB/formula,总磁矩主要来源于Mn的原子磁矩,Sb和Bi的原子磁矩对总磁矩的贡献很小而且为负值,它们具有明显的铁磁性特征. 使晶体晶格在±10%的范围内发生各向同性形变,对闪锌矿结构MnSb和MnBi的电子结构进行计算. 计算结果表明,当晶格各向同性形变分别为-1 % ~ 10 %和-4 % ~10 %时,闪锌矿结构MnSb和MnBi仍然保持半金属铁磁性,并且总磁矩都稳定于4.00μB/formula.     

第一性原理研究闪锌矿结构MnSb和MnBi半金属性和磁性的稳定性

采用基于第一性原理的全势能线性缀加平面波方法对闪锌矿结构MnSb和MnBi的电子结构进行自旋极化计算。闪锌矿结构MnSb和MnBi处于晶格平衡时都是半金属性的,并且它们自旋向下电子能带带隙分别是1.32eV 和1.27eV。闪锌矿结构MnSb和MnBi的自旋总磁矩都为4.00μB/formula,总磁矩主要来源于Mn的原子磁矩,Sb和Bi的原子磁矩对总磁矩的贡献很小而且为负值,它们具有明显的铁磁性特征. 使晶体晶格在±10%的范围内发生各向同性形变,对闪锌矿结构MnSb和MnBi的电子结构进行计算. 计算结果表明,当晶格各向同性形变分别为-1 % ~ 10 %和-4 % ~10 %时,闪锌矿结构MnSb和MnBi仍然保持半金属铁磁性,并且总磁矩都稳定于4.00μB/formula.     

过渡金属 X（ X=Cr、Mn、Fe、Tc、Re ）掺杂Janus Ga2SSe 的第一性原理研究

利用密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,研究过渡金属X(X=Cr、Mn、Fe、Tc、Re)原子掺杂Janus Ga₂SSe的磁性、电子性质及光学性质.研究表明：过渡金属掺杂Janus Ga₂SSe体系在Chalcogen-rich条件下有着比Ga-rich条件下更好的稳定性.其中Mn掺杂体系形成能在两种条件下皆为最低.本征Ga₂SSe是具有2.02 eV带隙的间接带隙半导体,在紫外区域有着很好的光伏吸收能力.与本征Ga₂SSe相比,Cr掺杂体系自旋向上通道出现杂质能级,自旋向上与向下通道不对称,呈磁矩为2.797μ_B铁磁性半金属. Mn掺杂体系在其自旋向上通道产生的杂质能级,呈磁矩为3.645μ_B的磁性P型半导体. Fe掺杂体系自旋向下通道产生的杂质能级,呈磁矩为3.748μ_B磁性P型半导体.在Tc与Re掺杂后,带隙皆由间接变直接带隙,呈无磁性的P型半导体.从光学性质来看,各掺杂体系与未掺杂Ga₂SSe在介电...     

第一性原理计算C掺杂金红石型TiO_2的磁性和光学性质

本文运用第一性原理GGA+U方法计算了C元素单/双掺杂金红石型TiO_2的电子结构、磁性和光学性质.结果表明,C掺杂体系的晶格发生畸变和体积相应增大.单掺杂体系的磁矩为1.3μB,磁矩主要归因于杂质态引起的自旋电荷密度不平衡,杂质态主要由C-2p、O-2p和Ti-3d的态电子构成,且它们之间存在明显的杂化现象.双掺杂体系中C原子之间的反铁磁性耦合比铁磁性耦合更加稳定,但其磁矩为零.另外,随着掺杂浓度的增大,掺杂体系的带隙由2.58 eV增大到3.4 eV,且在可见光区域的光吸收效率明显增大.这表明带隙的减小可能不是光谱吸收增强的主要因素,而带隙中的杂质态极大地影响了光谱吸收效率.     

过渡金属元素X（X=Mo，Tc，Ru）掺杂单层GaS的第一性原理研究

近年来,二维GaS由于其优异的性质引起了科研人员的关注.基于密度泛函理论计算了过渡金属元素X(X=Mo, Tc, Ru)掺杂单层二维GaS的电子结构、磁性性质及光学性质.计算结果表明：单层GaS材料为间接带隙的非磁性半导体,在对S位点进行替位式掺杂后,Ga-rich和S-rich条件的形成能均为正数,导致过渡金属元素Mo、Tc和Ru不能自发地进入进入单层GaS材料中.所有掺杂体系都引入了杂质能级,杂质能级主要由掺杂原子的4d轨道贡献.掺杂后所有体系的带隙都有所减小,上自旋和下自旋的能带结构不再对称,使得Mo掺杂体系呈现半金属铁磁性,Tc和Ru掺杂体系呈磁性半导体特性,Mo、Tc和Ru掺杂后的总磁矩分别为4μ_B, 3μ_B和2μ_B,磁矩主要由掺杂原子的局域磁矩产生.掺杂后单层GaS的静介电常数得到提高,吸收谱出现红移,在可见光区和近红外区的吸收系数变大,对可见光的利用率增强.     

Mg,O共掺杂实现p型AlN的第一性原理研究

采用密度泛函理论下的第一性原理平面波超软赝势方法研究了纤锌矿本征AlN,Mg单掺杂AlN和Mg,O共掺杂AlN体系的晶格参数、能带结构、电子态密度、差分电荷密度及电子布居数.计算结果显示:在Mg,O共掺杂AlN体系中,激活施主O原子的引入能使受主能级降低,形成浅受主掺杂.同时,体系的非局域化特征显著,受主能带变宽.因而提高了Mg原子的受主掺杂浓度和系统的稳定性.Mg,O共掺杂更有利于制备p型AlN.     

化合物SmCo5的电子结构、自旋和轨道磁矩及其交换作用分析

用自旋极化的MS-Xα方法研究了稀土-过渡族化合物SmCo5₅的电子态密度、自 旋能级劈裂及原子磁矩.研究结果显示，由于化合物中Sm-Co间的轨道杂化效应，使Sm原子原来的5d00空轨道上占据了少量5d电子.由于Co(3d)-Sm(5d)电子间的直接交换作用，导致了Sm-Co间的磁性交换耦合，这是化合物中形成Sm-Co铁磁性长程序的一个重要原因.在SmCo5_{5化合物中存在6个能级呈现负交换耦合，导致了SmCo55化 关键词： 电子结构 自旋极化 原子磁矩 交换耦合}     

化合物SmCo5的电子结构、自旋和轨道磁矩及其交换作用分析

用自旋极化的MS-Xα方法研究了稀土-过渡族化合物SmCo5的电子态密度、自旋能级劈裂及原子磁矩.研究结果显示,由于化合物中Sm-Co间的轨道杂化效应,使Sm原子原来的5d0空轨道上占据了少量5d电子.由于Co(3d)-Sm(5d)电子间的直接交换作用,导致了Sm-Co间的磁性交换耦合,这是化合物中形成Sm-Co铁磁性长程序的一个重要原因.在SmCo5化合物中存在6个能级呈现负交换耦合,导致了SmCo5化合物的居里温度(与金属钴相比)明显下降.还研究了化合物中2c和3g晶位Co的自旋磁矩和轨道磁矩,发现Co(2c)晶位的自旋磁矩、轨道磁矩及冻结部分均略大于Co(3g)晶位,所以2c晶位的L-S耦合强度应略大于3g晶位.因此,2c晶位对SmCo5磁晶各向异性的影响也应大于3g晶位.但Co(2c)未被冻结的轨道磁矩却略小于Co(3g),所以两种晶位对磁晶各向异性的贡献大小之差别不应太大.考虑到4f电子的局域性和化合物中轨道杂化效应所导致的Sm(5d0)空轨道上占据了少量5d电子,可以得到Sm原子磁矩为1.29μB,与顺磁盐中Sm3+磁矩实验值(1.32-1.63uB)及金属中Sm原子磁矩实验值(1.74μB)基本符合.     

过渡金属原子X(X=Mn,Tc,Re)掺杂二维WS2第一性原理研究

二维材料由于具有独特的电子结构和量子效应、丰富的可调控特性而受到凝聚态物理和材料科学的广泛关注,其中通过过渡金属掺杂二维WS2形成的半金属铁磁性材料在自旋电子学领域中发挥着重要的作用.采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法计算了过渡金属原子X (X=Mn, Tc, Re)掺杂二维WS~2的电子结构、磁性和光学性质.研究表明:被过渡金属原子X掺杂的WS~2体系在S-rich条件下比在W-rich条件下更稳定.在Mn掺杂后,自旋向上通道中出现杂质能级,导致WS~2体系从自旋向上和自旋向下态密度完全对称的非磁性半导体转变为磁矩1.001μB的铁磁性半金属.在Tc, Re掺杂后,体系均转变为非磁性N型半导体.所有掺杂体系杂质态均发生自旋劈裂现象,且自旋劈裂程度逐渐减小.同时发现Mn, Tc, Re掺杂后,表现出优异的光学性质,它们的介电常数和折射系数与未掺杂WS~2的体系相比明显增强,吸收系数在低能量区域(0—2.0 eV)均出现红移现象.     

二维应变作用下超导薄膜LiFeAs的磁性和电子性质

基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了二维应变作用下LiFeAs超导薄膜的磁性结构、电子能带和态密度变化,分析了应变对其超导电性的作用.结果显示,对体系施加1%—6%的二维平面张、压应变均不改变其基态条形反铁磁性结构,费米面附近的电子态密度主要来自于Fe-3d轨道电子以及少量的As-4p电子.研究发现,与无应变情形相比,当施加压应变时,体系中Fe离子的反平行的电子自旋局域磁矩减小,薄膜反铁磁性受到抑制,费米面上电子态密度增加,超导电性来自于以反铁磁超交换耦合作用为媒介的空穴型费米面和电子型费米面间嵌套的Cooper电子对.而在张应变作用时,局域反铁磁性增强,费米面上电子态密度减小,金属性减弱,特别是张应变时费米面上空穴型能带消失, Cooper电子对出现概率显著降低,将抑制超导相变.