Hf掺杂锐钛矿TiO2电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法对Hf掺杂锐钛矿型TiO2的电子结构进行了第一性原理研究。对通过对能带和电子态密度的分析,发现在Hf掺杂后,导带底和价带顶同时降低,但是由于价带顶下降的比导带底多,从而使得锐钛矿型TiO2的禁带宽度变窄。     

N-Cu共掺杂金红石相TiO_2光催化剂的第一性原理研究

TiO2是一种广泛应用的无机金属氧化物半导体材料,利用掺入杂质来改善TiO2的光催化和光电转换性能已成为近年来研究的热点。采用密度泛函理论体系下第一性原理的平面波超软赝势方法研究了单N掺杂、单Cu掺杂和N-Cu共掺杂金红石相TiO2的电子结构和光学性质。结果表明:N与Cu共掺杂后,由于N2p电子与Cu3d电子协同作用,在TiO2禁带中产生了新的杂质能级。其中一条处于稳态,另一条处于亚稳态,电子跃迁能有效减小,更有利于光生电子-空穴对有效分离,大大改善了TiO2的光催化性能。N与Cu共掺杂使TiO2的光吸收系数曲线在可见光区发生了比单N掺杂和单Cu掺杂更大的红移,反射率也增大。     

Ag-X(X=F,Cl,Br,I)共掺杂锐钛矿TiO_2的可见光吸收

TiO_2是一种常见的光触媒,但由于带隙较宽制约了其应用。采用第一性原理研究了Ag-X(X=F,Cl,Br,I)共掺杂对锐钛矿TiO_2的结合能、态密度、吸收系数和带边位置的影响。研究结果表明:Ag-X共掺杂锐钛矿TiO_2的结合能分别为-6.43、-5.54、-4.36和-3.97 eV,因此Ag-X都是稳定结构。Ag-X共掺杂对锐钛矿TiO_2的光学性质产生了以下几个方面的影响:首先,锐钛矿TiO_2带隙宽度由3.15 eV分别减小到2.85、2.57和2.21 eV,导致吸收系数产生红移;其次,带隙中杂化出新的能级,有利于可见光的吸收;最后,Ag-X共掺杂后的锐钛矿TiO_2具有良好的光催化活性。     

掺杂对二维SiC材料光电性质的影响

利用第一性原理赝势平面波方法计算了Si-C邻 近元素(B、N、Al、P)掺杂二维SiC的几何结构、 电子结构和光学性质。结果表明:掺杂后的二维SiC晶格常数(a、b)、键长及角度均发生了明显变化;同时, 在禁带中引入了杂质能级,导带和价带均向低能方向发生了明显的移动,带隙发生变化,费 米能级附近引入了 杂质的2p及3p态电子。光学性质的计算表明:在低能端B、N、Al掺杂使二维SiC吸收电磁波 的能力明显增 强;静态介电常数增大而能量损失峰降低。以上结果说明可以根据需要利用B、N、Al、P掺 杂来调制二维SiC材料的光电性质。     

钒受主能级在n型4H-SiC中的深能级瞬态傅里叶谱和光致发光

借助深能级瞬态傅里叶谱研究了钒离子注入在SiC中引入的深能级陷阱.掺人的钒在4H-SiC中形成两个深受主能级,分别位于导带下0.81和1.02eVt处,其电子俘获截面分别为7.0 × 10-16和6.0×10-16cm2.对钒离子注入4H-SiC样品进行低温光致发光测量,同样发现两个电子陷阱,分别位于导带下0.80和1.6eV处.结果表明,在n型4H-SiC掺入杂质钒可以同时形成两个深的钒受主能级,分别位于导带下0.8±0.01和1.1±0.08eV处.     

钒受主能级在n型4H-SiC中的深能级瞬态傅里叶谱和光致发光

借助深能级瞬态傅里叶谱研究了钒离子注入在SiC中引入的深能级陷阱.掺人的钒在4H-SiC中形成两个深受主能级,分别位于导带下0.81和1.02eVt处,其电子俘获截面分别为7.0 × 10-16和6.0×10-16cm2.对钒离子注入4H-SiC样品进行低温光致发光测量,同样发现两个电子陷阱,分别位于导带下0.80和1.6eV处.结果表明,在n型4H-SiC掺入杂质钒可以同时形成两个深的钒受主能级,分别位于导带下0.8±0.01和1.1±0.08eV处.     

N 和 Fe 共掺杂对TiO2电子结构和光学性质影响的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理研究了N 和 Fe共掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构和光学特性。计算结果表明,不同位置N 和 Fe共掺杂影响共掺TiO2的稳定性。通过态密度讨论了掺杂TiO2带隙变窄的机理。 不同位置N 和 Fe共掺杂影响了可见光吸收。N 和 Fe共掺杂的协同效应导致了可见光吸收的增强。因此,N 和 Fe共掺杂也许增强TiO2在可见光区的光催化能力。     

Nb掺杂浓度对单层MoS_2电子能带结构的影响

运用密度泛函理论的第一性原理方法,研究了本征和不同浓度Nb掺杂单层MoS_2的晶体几何结构、能带结构、态密度、电荷局域密度函数以及形成能。计算结果发现,本征单层MoS_2为直接带隙,禁带宽度为1.67 e V。随着Nb掺杂浓度的增加,单层MoS_2价带顶会越过费米能级向高能区方向移动,导带底则向低能区方向移动,致使其禁带宽度大幅度减小。当掺杂浓度为8.33%时,其禁带宽度减小至1.30 e V。带隙值的大幅减小,电子从价带激发到导带变得更容易,应用在以晶体管为代表的逻辑器件等领域,将使其电流开关比、导电性等电学性能得到显著提升。此外,掺杂前后成键类型均是离子键与共价键的混合键,形成能较低,说明掺杂体系的热力学稳定性良好,易于实现。研究结果为单层MoS_2在半导体器件的实际应用提供了理论指导。     

Se和Cd掺杂GaN电子结构与光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理,使用GGA+U方法分别计算Se和Cd单掺与共掺杂GaN体系的晶格常数、电子结构及光学性质.结果表明:与本征GaN相比,掺杂后体系的晶格常数发生了改变,禁带宽度减小,吸收光谱均发生红移,表明掺杂使体系的光谱响应范围得到更大拓展.其中,Cd单掺GaN体系的禁带宽度最小,并在费米能级附近有杂质能...     

氮掺杂对4H—SiC电子结构的影响

采用广义梯度近似的密度泛函理论方法计算了4H—SiC的本征态的电子结构以及4H—SiC材料N掺杂后的电子结构,计算结果表明：与本征态相比,N掺杂后的4H—SiC的导带与价带均向低能端移动,导带移动幅度大于价带,使得掺杂后的禁带宽度小于本征态的禁带宽度：导带底进入N的2s态和2p态,但它们所占比重小,掺杂浓度变化对导带底...     

锰掺杂对钛酸锶铅铁电薄膜带-带跃迁和带尾吸收特性的影响

通过透射光谱研究了锰掺杂量对钛酸锶铅铁电薄膜光学特性尤其是带-带跃迁和带尾吸收特性的影响,并利用柯西色散关系获得了光学透明区的光学常数.研究表明:随着锰掺杂量的增加,钛酸锶铅铁电薄膜的禁带宽度减小而带尾能增加.禁带宽度随锰掺杂的收缩可以归因为锰3d轨道降低了导带底的能级及掺杂后晶格的减小.掺杂锰离子的随机占位和非等价掺杂后氧空位浓度的增加则是导致局域带尾态拓宽的主要原因.     

Sb掺杂ZnO电子结构和光学性质

为了研究ZnO掺Sb后电子结构和光学性质的变化,采用基于密度泛函理论对纯净ZnO和Sb掺杂ZnO两种结构进行第一性原理的计算。计算结果表明：随着Sb的掺入,体系的晶格常数变大,键长增加,体积变大,系统总能增大。能带中价带和导带数目明显变密,费米能级进入导带,体系逐渐呈金属性,带隙明显展宽。在光学性质方面,主吸收峰的左边出现了新的吸收峰,是由导带上的Zn-4s和Sb-5p轨道杂化电子跃迁所致;同时介电函数虚部波峰发生一定程度的升高,实部静态介电常数也明显增大。     

Ce-N共掺锐钛矿TiO2(001)取向电子结构和光学性质

采用第一性原理研究了Ce和N共掺杂锐钛矿TiO_2的稳定性、电子结构和光学性质。结果表明在锐钛矿TiO_2中Ce倾向于间隙掺杂,而N更倾向于O替位掺杂;Ce单掺杂和Ce-N共掺杂都能使TiO_2带隙宽度减小,同时N原子还能在价带顶引入浅受主能级,有利于可见光的吸收和阻止光生载流子-空穴复合;Ce单掺杂和Ce-N共掺杂锐钛矿TiO_2(001)取向都满足光催化制氢条件,因此都具有良好的光催化特性。综合分析带边位置和吸收光谱发现Ce-N共掺杂能有效提高锐钛矿TiO_2(001)取向的光催化制氢能力。     

基于第一性原理的Ga-Eu共掺ZnO光电性质的研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,分析了Ga-Eu共掺杂ZnO(GEZO)结构的能带结构、态密度、马利肯布居分布以及光学性质。结果表明,计算得到的晶格常数及带隙与实验值一致。Ga,Eu的掺入贡献了导电载流子,使体系的电导率增强。费米能级进入导带,呈现n型导电。从态密度中可知费米能级处出现了由Eu的4f态引入的杂质带,Ga也在导带底处贡献了4p和4s态。原子和键的平均马利肯布居分布表明,Ga,Eu原子的掺入增强了键的离子性。光学性质方面,Ga,Eu的掺入使得介电函数实部和虚部的峰位向低能区转移,吸收率和反射率在可见光区均有提高。     

Ag-N共掺杂ZnO电子结构的理论研究

采用基于DFT理论的第一性原理方法研究了Ag-N共掺杂纤锌矿ZnO的晶格结构和电子结构,计算了包括共掺杂体系的晶格常数、杂质形成能和电子态密度等性质。研究结果显示,共掺改善了杂质原子对体相晶格结构的扰动,提高了掺杂的稳定性。此外,电子结构的计算表明共掺形成的受主能级较单掺时更浅,且空穴态的局域性降低,从而改善了p型ZnO的传导特性,表明受主共掺可能是一种比较有潜力的p型ZnO掺杂方式。计算与实验结果符合,为受主共掺形成p型ZnO的机理提供了理论支持。     

硼掺杂p-型半导体金刚石薄膜的气相合成及其掺杂行为的研究

利用灯丝热解CVD方法以甲烷和氢气为原料、以单质硼为掺杂源,制备了高晶体品质的硼掺杂多晶金刚石薄膜。其晶体结构及晶格常数与天然立方结构金刚石相同,硼掺杂后未引起金刚石薄膜中非金刚石碳含量的增加。证实了硼掺杂金刚石薄膜为p-型半导体材料,其最大硼掺杂浓度接近10~(20)cm~(-3),最大室温空穴载流子浓度达到10~(18)cm~(-3)。由硼掺杂金刚石薄膜红外吸收数据及类氢模型的估算证实了硼在金刚石的禁带中引入了位于价带以上约0.35eV的受主能级。     

GaAs中缺陷的光致发光研究

用光致发光技术研究了未掺杂半绝缘砷化镓中的深能级缺陷,观察到一系列与其有关的光致发光.其中0.69eV发射带是源自EL2的辐射复合发光,0.77eV带是由导带至As_(Ga)施主能级的跃迁.认为1.447eV和1.32eV荧光带系分别对应于与Ga_(As)的两个电子态(38meV和203meV)有关的辐射复合.     

不同浓度Ti掺杂Ca2Si电子结构及光学性质的研究

采用第一性原理方法计算不同Ti含量Ca_2Si的几何结构、能带结构、电子态密度及光学性质。几何结构和电子结构的计算结果表明,Ti掺杂使Ca_2Si的晶格常数a增大,b、c减小,晶胞体积减小。Ca_(2-x)Ti_xSi的带隙变宽,其中掺杂浓度为4.2%时带隙最大为0.55 eV,费米面进入导带,导电类型为n型。Ti的掺入削弱了Ca的3d态电子贡献,费米能级附近电子态密度仍主要由Ca-3d态电子贡献。光学性质的计算结果表明,Ti掺入后介电函数虚部、吸收系数向低能端偏移,光学跃迁强度减弱,反射率在E=0 eV处增大。     

Cu掺杂对ZnO氧化物电子结构与电输运性能的影响

采用平面波超软赝势密度泛函理论计算的方法研究了p型Cu掺杂的纤锌矿结构氧化物ZnO的电子结构,在此基础上分析了其电输运性能。计算结果表明,Cu掺杂ZnO氧化物具有0.6eV的直接带隙,且为p型半导体,在导带和价带中都出现了由Cu电子能级形成的能带,体系费米能级附近的能带主要由Cup态、Cud态和Op态电子构成,且他们之间存在着强相互作用。电输运性能分析结果表明,Cu掺杂的ZnO氧化物价带中的载流子有效质量较大,导带中的载流子有效质量较小;其载流子输运主要由Cup态、Cud态、Op态电子完成,且需要载流子（空穴和电子）跃迁的能隙宽度较未掺杂的ZnO氧化物减小。     

N、Yb共掺杂二氧化钛的第一性原理计算

本文采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了N、Yb共掺杂TiO2的晶体结构、电子结构和光学性质,计算结果表明：掺杂后TiO2的晶格常数、原子间的键长和原子电荷都发生了变化,导致掺杂后的八面体偶极矩增加,从而有利于光生电子-空穴对的分离,提高了TiO2的光催化性能。电子在O的Pπ轨道和Yb的4f之间的跃迁使N、Yb共掺杂后的TiO2在可见光区有较好的光吸收特性。