Na,N双受主共掺杂p型ZnO第一原理研究

采用基于密度泛函理论的第一原理平面波超软赝势法,对六方纤锌矿结构ZnO晶体,Na、N分别掺杂ZnO晶体,Na、N共掺杂ZnO晶体的几何结构进行了优化,其中Na、N共掺杂又分为Na、N相连和分开两种情况,以此为基础计算得到了这几种情况下ZnO晶体的能带结构,总态密度和分波态密度。结果表明,Na、N共掺得到的p型ZnO比单掺要好;两种共掺情况中Na、N分开会比Na、N相连p掺杂效果更好。     

In-Ga共掺杂ZnO的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理,研究本征ZnO、In和Ga分别单掺杂及In-Ga共掺杂ZnO的电子结构和光学性质。结果表明:In掺杂的ZnO晶胞体积减小,Ga掺杂的ZnO晶胞体积增大,In-Ga共掺杂的ZnO晶胞体积增大是由掺入的Ga决定的;在ZnO禁带中引入杂质能级,禁带宽度变小,导电能力提高;In-Ga共掺杂后,ZnO吸收带边红移,在波长为302.3~766.8 nm的可见光范围内吸收减弱。     

Li、N共掺杂实现P型ZnO的机理探讨

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势法计算了本征ZnO、N掺杂、Li掺杂以及Li、N共掺杂ZnO的能带结构、电子态密度和差分电荷分布。计算结果表明:N掺杂的受主能级局域性较强,导致N溶解度较低,Li替位原子受主能级较浅,但是会受到Li间隙原子的补偿。Li、N共同掺入时,NO-LiZn复合受主结构并不是ZnO的主要P型来源,NO受主可以与间隙原子Lii形成NO-Lii结构,该结构可促进N的掺入,并抑制Lii施主的补偿效应,因而对实现ZnO的P型非常有利。     

Sb_2O_3掺杂对(Na_(1-x)K_x)_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3无铅压电陶瓷性能的影响

采用传统工艺制备了(Na0.84K0.16)0.5Bi0.5TiO3压电陶瓷,研究掺杂离子Sb3+对(Na0.84K0.16)0.5Bi0.5TiO3微观结构和电性能的影响。结果表明烧结温度在1160℃时,样品密度达到最大值5.85g/cm3;X射线衍射(XRD)分析所有陶瓷样品均为钙钛矿相,Sb2O3的掺杂只改变晶胞体积或产生铋离子空位或钠离子空位,不形成异相;掺杂量在0.4%~0.6%时介电常数先增加后减小,介电损耗呈现增大趋势;掺杂0.5%的Sb2O3时,d33最大为142pC/N。     

Al掺杂纤锌矿ZnO的电子结构研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的总体能量平面波超软赝势法,电子交换关联能结合广义梯度近似(GGA)PW91形式,对Al原子不同掺杂位置的ZnO超原胞进行了几何优化,计算分析了晶体结构参数及掺杂模型的电子结构.结果表明,几何优化后掺杂晶胞z轴方向出现收缩现象,两种模型在杂质掺入后半导体ZnO导电能力提高,形成置换杂质模型的可能性要大于间隙杂质模型,掺杂Al和基体ZnO的原子数配比直接影响导电性能,最后给出了电子轨道跃迁规律.     

锌硼共掺对铌酸钾钠基压电陶瓷结构和性能影响的研究

采用传统固相制备工艺,在烧结温度960～980℃成功制备了致密度较高、综合电学性能优异的Li0.06(Na0.535K0.48)0.94Nb0.94Sb0.06O3+x%(质量分数)ZnO+B_2O_3(LNKNS-xZB2)无铅压电陶瓷。研究了ZnO+B_2O_3掺杂量对LNKNS-xZB2陶烧结性能、相结构、微观结构及电学性能的影响。结果发现,ZnO+B_2O_3的掺杂不仅改善了LNKNS-xZB2陶瓷的烧结性能,而且改变了陶瓷的相结构,在掺杂量x=1.2～1.6范围内形成四方-正交两相共存的多晶型相界(PPB)。在准同型相界处(x=1.6),陶瓷具有优异的电学性能:压电常数d33、机电耦合系数kp、介电常数εr、机械品质因数Qm、剩余极化强度Pr和相对密度ρr分别为285pC/N,35.4%,954,205,29.5μC/cm~2和96.3%。为铌酸钾钠基压电陶瓷的低温致密化烧结提供了新的思路。     

Li、Mg双组分掺杂ZnO薄膜的结构与性能

采用溶胶-凝胶法Li、Mg双组分掺杂制备ZnO薄膜。利用XRD、AFM、Hall测试仪、分光光度仪等对薄膜结构和电学光学性能表征与分析，探讨了Li、Mg双组分掺杂离子、掺杂比例对ZnO薄膜晶体生长和光、电性能的影响。研究表明Li、Mg双组分掺杂提高了ZnO薄膜的电阻率；在可见光范围仍具有较好的透光性能，双组分掺杂ZnO薄膜因为Mg的掺入而具备了Zn1-x-yMgxO薄膜的相关光学特性，吸收峰具有蓝移现象，禁带宽度变大；结晶性能变差，晶粒变小，c轴的取向性变差。     

Li吸附对石墨烯、BC_3、C_3N电学性质影响的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,对Li在未掺杂和B(N)掺杂浓度为25%(原子分数)的石墨烯表面最稳定位置的吸附进行了结构优化,计算了本征石墨烯及B(N)掺杂石墨烯吸附Li前后的能带结构、态密度、电荷转移、差分电荷密度和结合能。计算结果表明,B掺杂浓度为25%(原子分数)时可显著提高石墨烯的Li吸附能,N掺杂浓度为25%(原子分数)时减弱了石墨烯的Li吸附能。吸附Li后的石墨烯、BC3和C3N体系均显示出金属性。     

四面体掺杂尖晶石结构Co1-xRexCr2O4(Re=Li、Na、K、Rb)的电子结构和光学性质

采用基于密度泛函理论(DFT)的平面波超软赝势方法, 计算了CoCr₂O₄及Li、Na、K和Rb四面体掺杂CoCr₂O₄的基态结构、电子结构和光学性质。计算结果表明: 一价离子四面体掺杂都导致晶格有微小的畸变, 使体系的稳定性降低, Rb掺杂的体系最稳定; 电子态密度的计算结果表明: 掺杂体系的导带主要有Co-3d和Cr-3d轨道电子构成, 掺杂离子改变了CoCr₂O₄导带的电子结构, 主要引起了导带Co-3d态密度峰的下移, 随着掺杂浓度的增大, 费米能级进入价带更深; 光学性质计算表明: 掺杂体系的吸收光谱发生红移, 并在低能区有很强的吸收, 表明掺杂能极大地提高CoCr₂O₄对可见光的吸收和光催化效率。     

Cr掺杂对ZnO最小光学带隙和吸收光谱的影响

当Cr掺杂ZnO的摩尔数为0.0313~0.0625的范围内,掺杂体系的最小光学带隙宽度和吸收光谱分布随Cr掺杂浓度的变化出现了两类相反的实验结果。为了解决本问题,采用密度泛函理论(DFT)框架下的广义梯度近似(GGA+U)平面波超软赝势方法,用PBE泛函的计算方案来描述电子间的交换关联能,对未掺杂ZnO和3种不同浓度Cr掺杂ZnO超胞模型进行了能带结构、态密度、差分电荷密度、布居值以及吸收光谱的计算。结果表明,当Cr掺杂摩尔数为0.0313~0.0625的范围内,随着Cr掺杂量增加,掺杂体系的晶格常数和体积增大,总能量和形成能减小,结构更稳定,掺杂更容易,最小光学带隙宽度增大,吸收光谱显著蓝移。计算结果与实验结果相一致,并合理解释了存在的问题。这对制备Cr掺杂ZnO中实现短波长光学器件有一定的理论指导作用。     

ZnO-Nb2O5掺杂SnO2基陶瓷研究

通过常压烧结制备SnO2基陶瓷,研究了ZnO、Nb2O5单掺杂及ZnO-Nb2O5复合掺杂对SnO2基陶瓷的烧结性能及电阻率的影响。采用SEM及XRD对试样分别进行了微观结构观察及物相分析。研究表明,掺杂ZnO能提高陶瓷的体积密度,但对于降低电阻率的影响不明显,当ZnO掺杂量在0.5%～0.75%(质量分数)时,SnO2基体积密度可达到6.67～6.73g/cm3;掺杂Nb2O5不能有效提高烧成陶瓷的体积密度,但能显著降低SnO2基陶瓷的电阻率;0.5%(质量分数)ZnO～1.5%(质量分数)Nb2O5复合掺杂在1450℃下烧成的陶瓷可得到较好的性能,其体积密度可达到6.61g/cm3,常温电阻率为867.84Ω.cm。     

Li1.02CoxCryMn2-x-yO4的固相合成及性能表征

采用固相法合成锂离子正极材料尖晶石相Li1.02CoxCryMn2-x-yO4，研究元素Co、Cr不同掺杂量对产物的结构、晶胞常数、电化学性能和电池内阻的影响．分析表明，掺杂少量的Co、Cr的LiMn2O4依然保持着尖晶石结构；晶胞常数随掺杂量的增加而减小，从而使尖晶石的比表面积增大，有利于提高电池的初始容量；并有效地抑制了充放电过程中的Jahn-Teller效应和Mn^3＋的歧化反应．掺杂Co、Cr后Li1.02MnO4初始容量有所下降，且随掺杂量增加而减小，但能明显改善材料的循环性能．     

Ga掺杂ZnO电子结构的密度泛函计算

根据密度泛函理论（DFT）,采用“总体能量-平面波”超软赝势方法,对不同的Ga掺杂浓度的ZnO晶体几何结构进行了优化,从理论上给出了Ga掺杂ZnO晶体结构参数及性质,为ZnO材料的掺杂改性研究提供了理论依据。计算了Ga掺杂情况下ZnO晶体的总体能量、能带结构、总体态密度、分波态密度。分析了Ga掺杂对ZnO晶体电子结构和光学吸收带边的影响。     

溶剂热法制备Ag掺杂ZnO纳米棒结构及催化性能的研究

为了提高ZnO的光降解效率,选择贵金属Ag为掺杂材料,通过溶剂热法制备了不同Ag掺杂量(0,1%,2%,3%和4%(摩尔分数))的ZnO纳米棒。通过XRD、SEM、FT-IR和PL等手段对ZnO的晶格结构、微观形貌、光谱性能和催化性能等进行了表征,并研究了Ag掺杂的ZnO纳米棒在500 W氙灯照射下对罗丹明B不同时间段的降解效率。结果表明,Ag掺杂后的ZnO的晶体结构未发生改变,但晶胞体积出现增大、晶格畸变变小;掺入Ag后ZnO逐渐从颗粒球状转变成棒状结构,并且随着Ag掺杂比例的增加,变化趋势更加明显;部分Ag⁺取代了Zn²⁺,导致掺杂Ag的ZnO金属氧键的振动峰出现降低;随着Ag掺杂浓度的增加,ZnO纳米棒的PL强度出现先降低后升高的趋势,3%(摩尔分数)Ag掺杂的ZnO的PL强度最低;Ag的掺杂抑制了电子-空穴的复合,增强了光降解效率,3%(摩尔分数)Ag掺杂的ZnO纳米棒在120 min照射下对罗丹明B的降解效率达到最大值为70.22%。     

Au-N共掺杂ZnO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第一性原理平面波超软赝势法,结合广义梯度近似(GGA)研究了Au、N共掺杂纤锌矿ZnO的能带结构、电子态密度,以及复介电函数、光学吸收等光学性质,并与本征ZnO和N掺杂ZnO情况进行了对比.计算结果表明Au、N共掺杂ZnO仍是直接带隙半导体材料,掺杂后ZnO的带隙收缩,价带展宽.在价带顶电子密度分布较N掺杂ZnO情况的局域性减弱,更有利于获得p型ZnO.与未掺杂ZnO相比,介电函数和吸收系数在可见和紫外区域得到显著增强.     

Zn1-xFexO精细结构的第一性原理研究

计算了Fe掺杂ZnO体系几何结构和电子结构,分析了掺杂对ZnO晶体的电子结构、磁矩、电子态密度、磁学性质的影响.所有计算都是基于密度泛函理论(DFT)框架下的第一原理平面波赝势方法.计算结果表明:Fe3 并不能占据准确的Zn2 位置,而是沿c轴方向位移了一段距离Δz,这是引起Zn1-xFexO铁磁性的主要原因,理论计算结果与试验结果吻合.     

CuO掺杂的(Na_(0.66)K_(0.34))NbO_3无铅压电陶瓷性能研究

采用传统工艺制备了CuO掺杂的无铅压电陶瓷(Na0.66K0.34)NbO3,研究了CuO掺杂对其压电、介电、铁电等性质的影响。实验结果显示,CuO掺杂促进了晶粒生长,降低了样品的烧结温度,适量掺杂能够显著提高陶瓷样品的密度。当掺杂量为0.5%(摩尔分数)时,样品的密度为4.26g/cm3,品质因子Qm提高到400,介电损耗tanδ降低至0.8%。实验结果还显示,CuO掺杂使得陶瓷变硬,起到硬性添加剂的作用。随着CuO掺杂量的增加,样品的居里点(TC)、正交-四方相变温度(TT-O)、压电常数d33以及机电耦合系数kp均明显降低,而矫顽场显著增加。对于不掺杂的(Na0.66K0.34)NbO3陶瓷,其d33高达107pC/N,该陶瓷优异的压电性能表明,除了具有准同型相界结构的(Na0.5K0.5)NbO3外,(Na0.66K0.34)NbO3也是一种具有研究潜力的无铅压电陶瓷组分。     

金属元素掺杂α-Fe(N)体系的电子结构及力学性能的第一性原理计算

基于第一性原理研究 M(M =Ti,V,Cr,Mn,Co和Ni)掺杂α-Fe(N)的结合能、电子结构及力学性能。计算结果表明,Ti和V优先占据晶胞的顶角位置,Cr和Mn优先占据晶胞的体心位置,Co和Ni与N不相邻时结构最稳定。Ti与V的掺杂加强了晶胞的稳定性,Cr, Mn与Ni的掺杂削弱了晶胞的稳定性,Co的掺杂不影响晶胞的稳定性。这些过渡金属在α-Fe晶胞中均存在金属键和离子键的共同作用,成键轨道主要来自 M 3d, Fe4s3p3d与N2p。与纯α-Fe体系相比,掺杂体系刚性均变强,经计算可得α-Fe(N)-V体系的弹性模量 E 、剪切模量 G 和体积模量 B 均为最大值,即掺杂V可显著提高材料的力学性能,V是最有效的固氮元素,与高氮钢冶炼的实验结果相吻合。     

Ba,Sr掺杂对K0.47Na0.47Li0.06NbO3基无铅压电陶瓷结构、介电及压电性能的影响

采用传统的固态反应法制备了(K0.47Na0.47 Li0.06 )1-x(Ba0.5Sr0.5)xNbO3无铅压电陶瓷,研究了Ba,Sr掺杂对K0.47Na0.47Li0.06NbO3陶瓷的晶体结构、电畴结构、介电及压电性能的影响.随着Ba,Sr掺杂量的增加,陶瓷样品逐渐由正交相向四方相转变,同时居里温度(Tc)降低,剩余极化率(Pr)、矫顽场(Ec)、介电常数(εr)增加;压电常数(d33)、机电耦合系数(kp)先增加后减小.x=0.5％时陶瓷的压电常数d33达到221 pC/N,机电耦合系数kp为43.1％.     

掺杂Nd对ZnO电子结构和光学性质的影响

研究分析了Nd掺杂对ZnO体系的电子结构和光学性质的影响;根据密度泛函理论(DFT),采用第一性原理平面波超软赝势方法,对Nd掺杂的ZnO晶体结构进行几何优化,并计算体系的能带结构、总态密度、分波态密度、光学性质;结果表明,掺杂后体系晶格常数增大,带隙变宽,费米能级进入导带,介电常数、吸收系数发生较大变化;Nd是一种有效的ZnO体系施主掺杂元素;Nd的掺入提高了ZnO体系的导电性能,改善了光学性能。