Mg掺杂AlN的磁性

采用基于密度泛函理论(Density function theory,DFT)的第一性原理方法,计算研究了AlN中掺杂Mg后的电子结构和磁性。我们从理论上给出了AlN∶Mg的晶体结构参数和电子结构,计算了铁磁相和反铁磁相的总能,发现AlN∶Mg具有半金属特性,并且其铁磁相更稳定。我们通过分析比较AlN和AlN∶Mg的电子结构,解释了非磁性杂质Mg掺杂在AlN中产生磁性的原因是Mg取代Al后,会在自旋向下的价带顶部引入空穴,导致费米能级移入价带中,从而使自旋向上和自旋向下的态密度产生不对称的分布,从而导致材料中有净磁矩。另外,通过比较AlN∶Mg的多种构型的形成能,发现在纤锌矿结构AlN中掺入Mg比较容易实现,在闪锌矿结构中次之,但对于其它几何构型,由于形成能太高,Mg很难掺入到材料中。这种材料可作为制备非磁性掺杂的半导体自旋电子器件的备选材料。     

Mg2Si电子结构及光学性质的研究

采用基于第一性原理的赝势平面波方法系统地计算了Mg2Si基态的电子结构、态密度和光学性质。计算结果表明Mg2Si属于间接带隙半导体，禁带宽度为0．2994eV；其价带主要由Si的3p以及Mg的3s、3p态电子构成，导带主要由Mg的3s、3p以及Si的3p态电子构成；静态介电常数ε1（0）=18．89；折射率n0=4．3460；吸收系数最大峰值为356474．5cm^-1；并利用计算的能带结构和态密度分析了Mg2Si的介电函数、折射率、反射率、吸收系数、光电导率和能量损失函数的计算结果，为Mg2Si的设计与应用提供了理论依据。     

Cu掺杂β-Ga2O3电子结构和磁学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理方法,结合广义梯度近似研究了Cu掺杂β-Ga2O3系统的磁学特性。计算结果表明,单Cu的掺杂,稳定体系倾向于自旋极化态,且Cu替代八面体的Ga(B)时系统更稳定,容易在实验上形成;Cu掺杂β-Ga2O3呈现出半金属特性,Cu的掺杂引入了2.0μB磁矩,其中局域在Cu原子上的磁矩为0.45μB,其余主要来自于Cu杂质周围的氧原子。由于电荷补偿效应,在Cu掺杂β-Ga2O3系统中引入氧空位时,体系磁矩减小到零。在2个Cu取代Ga的10种构型中,A1-B3构型的能量最低,且显示出铁磁性,磁矩为3.8μB。考虑氧空位后,A1-B3构型的反铁磁性和铁磁性能量差增大,磁矩减小到1.0μB。     

第一原理计算Al_2Mg中间相的电子结构

对镁合金材料研发应用现状与发展趋势进行了论述,展望了镁合金研发应用的未来发展趋势。采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法,通过选用广义梯度近似(GGA)和局域密度近似(LDA)分别计算了Al2Mg晶体的几何与电子结构,分析了其电子态密度以及电荷密度分布,研究了Al2Mg晶体的电子结构和成键特性。     

浓度对Al掺杂TiO2电子结构影响的第一性原理计算

运用第一性原理超软赝势方法计算了不同Al掺杂浓度对TiO2能带结构、分波态密度、光吸收谱图的影响。计算结果表明:Al原子进入TiO2晶格后,晶胞体积减小;随着掺杂浓度的增大,禁带宽度减小,吸收带边红移越来越明显;不同掺杂浓度下,虽然Al的3s和3p轨道对导带和价带贡献较小,但对TiO2可见光吸收能力大有改善;在波长为100~280nm处,Al掺杂TiO2的紫外光吸收能力有所降低,波长为450~1000nm时,TiO2的可见光吸收能力明显增强。对比四种不同掺杂浓度下TiO2的光催化活性,发现浓度为9%左右时催化效果更好一些。     

Mg单原子替位掺杂β-Ga2O3的电子结构和光学性质计算研究

宽禁带半导体β-Ga2O3因其出色的物理化学性能而备受关注,通过掺杂改善β-Ga2O3性能一直是研究的热点.采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,利用广义梯度近似加U对Mg单原子掺杂β-Ga2O3体系的晶体结构、电子结构和光学性质等进行了研究和分析.总能量和结合能的对比显示:单原子替位掺杂β-Ga2O3时,Mg优先替代八面体位的Ga原子形成Mg-Gao体系.电子结构显示,Mg-Gao体系变为间接半导体,带隙变窄为4.672eV;其自旋极化率为100％,呈现半金属特性.作为光学材料,Mg-Gao体系可在紫外、深紫外区域工作,并且折射率、反射率和吸收率有所降低,透射率明显提高.     

N掺杂位置对四方相PbTiO_3电子结构和光学性能的影响

用第一性原理计算了N掺杂四方相钛酸铅的结构参数、形成焓、电子结构和光吸收,研究了N掺杂位置对钛酸铅性能的影响。N掺杂钛酸铅是典型的p型半导体,杂质能级主要由N 2p态贡献。N替位O(1)位置与N替位O(2)位置钛酸铅的形成焓差值很小。N替位O(1)位置钛酸铅在价带顶出现两条交互的杂质能级,N替位O(2)位置的钛酸铅在价带顶出现两条分离的杂质能级。N替位O(1)位置的钛酸铅的相对空穴数是1.729,N替位O(2)位置的钛酸铅相对空穴数为1.327。与N替位O(1)位置钛酸铅相比,N替位O(2)位置钛酸铅在300nm到1400nm区域光吸收强度明显增强。     

BezZn1—xO合金和Mg掺杂BexZn1-xO合金特性的理论研究

利用基于密度泛函理论的平面波超软赝势法研究了对16个原子的BenZn8-nO8和MglBenZn7-nO8超胞进行了几何结构优化，计算了总能。从理论上给出了BeO的能带结构、态密度；BexZn1-xO合金的晶格常数、能带弯曲系数，差分电荷密度；BexZn1-xO合金的稳定性以及Mg掺杂Be，Zn1-xO合金的特性。计算结果表明：BexZn1-xO合金非常稳定；晶体结构参数与实验相符，并基本符合Vegard’S law（维加德定律）；能带弯曲系数非常大（5．6eV左右）；掺入适量的Mg原子不仅可以解决晶格失配问题、增大band off-set（能带偏移），还可以提高BexZn1-xO合金的稳定性；Be原子成为间隙杂质的可能性很小。BexZn1-xO合金可以作为Zn0／MgxZn1-xO超晶格和量子阱的最佳材料。     

新型SiAsP二维Janus材料电子结构和光吸收性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算,通过对最新报道出的二维材料单层SiP₂进行原子替换,预测出单层SiAs₂,α-SiAsP,β-SiAsP 3种新型二维材料,并对3种材料的晶体结构、稳定性、电子能带结构和光学性质进行分析验证。通过静电势计算验证出3种材料在与平面垂直的方向具有非对称性,是Janus材料;声子谱计算结构表明3种材料具有良好的结构稳定性;电子结构计算结果表明上述材料为间接带隙半导体,带隙大小分别为2.21,2.43,1.76 eV;吸收光谱计算结果表明3种材料可以有效地吸收可见光和紫外光,其中β-SiAsP甚至可以吸收近红外光。因此,预测出单层SiAs2,α-SiAsP和β-SiAsP二维Janus材料在光学和电子领域具有一定的应用前景。     

B/N/Si掺杂的(9,0)型碳纳米管电子结构第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)的DMol3软件包,研究了(9,0)型碳纳米管(CNT)顶端掺杂B/N/Si等元素对其几何结构及电子结构的影响.结果表明,掺杂原子对非掺杂区几何结构影响微弱;加电场后,各种掺杂CNT顶端局域态密度(LDOS)峰位向价带移动;B/N/Si掺杂不仅引起CNT费米能级(Ef)处LDOS增大,而且最低空轨道与最高占有轨道的差值(LUMO-HOMO)降低.由此可预期CNT顶端掺B/N/Si均有利于场致电子发射,且改善幅度依次增强.     

镍间隙掺杂硅纳米线电子结构的研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理的方法,对[100]方向镍间隙掺杂硅纳米线结构的稳定性和电子性质进行了计算。计算结果表明Ni原子更喜欢占据硅纳米线内部六角形间隙位置;掺杂体系费米能级附近的电子态密度来源于Ni3d态电子的贡献;同时发现不同构型的Ni掺杂硅纳米线,其带隙不同,且与未掺杂硅纳米线相比,带隙普遍减小。     

稀土La掺杂Mg2Si的几何结构、弹性性能和电子结构的第一性原理研究EI北大核心CSCD

采用密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波赝势方法对稀土元素镧(La)掺杂Mg2Si的几何结构、弹性性能和电子结构进行计算与分析。首先,结合形成焓、Born力学稳定性以及差分电荷密度的结果可知,掺杂稀土元素La之后,形成的Mg8Si4La和Mg8Si3La均不能稳定存在,La掺杂的Mg2Si优先占据体系Mg原子的位置;其次,晶体的体模量(B),剪切模量(G),杨氏模量(E),泊松比(ν),以及各向异性系数(A)的计算结果表明本征Mg2Si为脆性相,而Mg7Si4La为韧性相,掺杂La可以提高Mg2Si的延展性;最后,态密度、Mulliken布居数和电荷差分密度的计算结果表明掺杂稀土镧后费米面向高能级区域偏离,进入导带,提高了Mg2Si的导电性。     

钒掺杂纳米TiO2薄膜的结构和光吸收性能

采用磁控溅射法制备了不同V含量的纳米TiO₂薄膜,利用SEM、XRD、Raman光谱和UV-vis吸收光谱对V掺杂TiO₂薄膜的表面形貌、结晶特性、晶格应力和光吸收性能进行了分析.结果表明,V掺杂可促进TiO₂薄膜晶粒的定向生长,得到尺寸分布较均匀的哑铃状晶粒,且可抑制薄膜的晶格膨胀和金红石型晶粒的生成.V掺杂TiO₂薄膜处于压应力状态,且应力随V含量增加而增大.V掺杂使导带底向带隙延伸,TiO₂薄膜光学带隙变窄,光响应范围从紫外区红移到可见光区域,提高了薄膜对可见光的吸收率.     

Sb掺杂闪锌矿GaAs电子结构和光学性质第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)框架下广义梯度近似平面波超软赝势法,计算了不同浓度Sb掺杂闪锌矿GaAs体系GaAs1-xSbx(x=0,0.25,0.5,0.75,1)的电子结构和光学性质,包括能带、态密度、复介电函数和吸收系数。计算结果表明,Sb掺杂导致体系晶格常数线性增大,并使得体系导带和价带组成发生改变,禁带宽度呈二次多项式变化。随着掺杂浓度的增加,体系静态介电常数线性增大,吸收带边出现了明显的红移现象。分析了掺杂Sb诱发GaAs1-xSbx体系的电子和光学性质改变,为Sb掺杂闪锌矿GaAs在光电子学和微电子学方面的实际应用提供了一定的理论依据。     

Ga掺杂前后LaCoO_3的电子结构研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法,结合局域自旋密度近似和Hubbard U修正,对不同Co离子自旋态下及Ga掺杂LaCoO_3的超晶胞体系进行了几何结构优化,计算并分析了它们的电子结构。结果表明,当Co离子处于低自旋态时,LaCoO_3为非磁绝缘性的绝缘体;当Co离子被激发到中间自旋态时,由于强烈的p-d轨道杂化作用,LaCoO_3转变成一个有磁性的半金属体;当Co离子处于高自旋态时,体系呈现金属铁磁性,磁矩由中间自旋态的0.91μB增大到高自旋态的2.2μB。Ga掺杂后,体系的Co3d态电子和Ga4p态电子以及O2p态电子在费米能级附近发生p-d轨道杂化,引入杂质带,形成受主能级,使体系的导电能力增强,体系呈现半金属铁磁性,其净磁矩为4.01μB。     

BexZn1-xO合金和Mg掺杂BexZn1-xO合金特性的理论研究

利用基于密度泛函理论的平面波超软赝势法研究了对16个原子的BenZn8-nO8和Mg1BenZn7-nO8超胞进行了几何结构优化,计算了总能.从理论上给出了BeO的能带结构、态密度;BexZn1-xO合金的晶格常数、能带弯曲系数,差分电荷密度;BexZn1-xO合金的稳定性以及Mg掺杂BexZn1-xO合金的特性.计算结果表明:BexZn1-xO合金非常稳定;晶体结构参数与实验相符,并基本符合Vegard's law(维加德定律);能带弯曲系数非常大(5.6eV左右);掺入适量的Mg原子不仅可以解决晶格失配问题、增大band off-set(能带偏移),还可以提高BexZn1-xO合金的稳定性;Be原子成为间隙杂质的可能性很小.BexZn1-xO合金可以作为ZnO/MgxZn1-xO超晶格和量子阱的最佳材料.     

钒掺杂纳米TiO2薄膜的结构和光吸收性能

采用磁控溅射法制备了不同V含量的纳米TiO₂薄膜,利用SEM、XRD、Raman光谱和UV-vis吸收光谱对V掺杂TiO₂薄膜的表面形貌、结晶特性、晶格应力和光吸收性能进行了分析.结果表明,V掺杂可促进TiO₂薄膜晶粒的定向生长,得到尺寸分布较均匀的哑铃状晶粒,且可抑制薄膜的晶格膨胀和金红石型晶粒的生成.V掺杂TiO₂薄膜处于压应力状态,且应力随V含量增加而增大.V掺杂使导带底向带隙延伸,TiO₂薄膜光学带隙变窄,光响应范围从紫外区红移到可见光区域,提高了薄膜对可见光的吸收率.     

In-As共掺杂GaSb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,计算未掺杂,In、As单掺及In-As共掺GaSb的晶格参数、能带结构、态密度和吸收光谱。结果表明:掺杂后GaSb晶格发生畸变,As单掺GaSb的晶格常数增大,带隙减小,导致吸收光谱蓝移;而In单掺和In-As共掺GaSb晶格常数变大,且禁带宽度均减小,致使吸收光谱红移,这也是实验上造成掺杂GaSb热光伏电池吸收光谱扩展的原因。     

β-Ga_2O_3掺Al的电子结构与能带特性研究

采用第一性原理的平面波超软赝势方法,对β-Ga2O3掺Al的AlxGa2-xO3(x=0,0.5,1,1.5,2)合金进行结构优化、电子态密度和能带特性的研究。结果显示,AlxGa2-xO3为间接宽能隙材料,能隙是由导带底Ga 4s态和价带顶O 2p态共同决定,其弯曲系数分别为0.452eV(直接)和0.373eV(间接)。当增大Al的掺杂量,AlxGa2-xO3的体积变小,总能量升高,能隙逐渐增大,这与实验结果相一致。     

N、La共掺杂TiO2的微观结构及性能

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了N、La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TiO2的光催化性能,且共掺杂后带隙减小,导致光吸收带边红移到可见光区,而电子在La的5d轨道之间的跃迁使共掺杂TiO2在可见光区有较好的光吸收特性。