Na掺杂对闪锌矿ZnS电子结构和光学性质的第一性原理浅析

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,在广义梯度近似(GGA)框架下,研究了纯净闪锌矿ZnS-B3和Na掺杂ZnS后的晶体结构、电子结构和光学性质。详细分析了不同Na掺杂浓度对ZnS的晶格常数、电子态密度和能带结构的影响,讨论了费米能级附近的电子组态对ZnS光学性质的影响。结果表明,掺杂Na对ZnS光学性能有极大的影响,当Na离子掺杂浓度为6.25%(原子分数)时,表现出较好的综合光学性质;当掺杂浓度为12.5%(原子分数)时,体系有效负电荷离子浓度增加,S3p态穿过费米能面,引起S3p态电子产生跃迁,在低能量红外区域产生新介电峰,引起光吸收,降低了ZnS材料的透红外性能。理论预测结果与文献报道的实验结果相吻合。     

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。     

Mn掺杂浓度对Mn:MgAl_2O_4电子结构和光学性质的影响

采用密度泛函理论(DFT)的平面波超软赝势(PW-USP)和广义梯度近似(GGA)对不同锰离子掺杂浓度的掺杂镁铝尖晶石晶体Mg1-xMnxAl2O4(x=0、0.125、0.5)的晶体结构、电子结构和光学性质进行了计算.解释了锰离子掺杂浓度使晶格常数变化的微观机制;分析了锰离子掺杂浓度对电子结构和光学系数的影响.结果表明,锰离子掺杂浓度的增加使掺杂晶体的带隙降低.价带变窄,杂质能级展宽.掺杂晶体的导带对掺杂浓度的变化较为敏感.锰掺杂使可见光区吸收增大,且掺杂浓度越高可见光区光学吸收越强,起吸收边越向长波方向移动,即发生红移,与实验结果一致.     

Ni掺杂浓度对CdS:Ni体系电子和光学性质的影响

采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法,对纤锌矿结构CdS:Ni的几何结构、能带结构、电子态密度和光学性质随Ni掺杂浓度的变化进行了系统地研究。计算结果显示,无论是在富镉,还是富硫条件下,计算得到不同Ni掺杂浓度的形成能都较小,说明CdS:Ni系统在实验上是可以实现的;Ni掺杂的CdS在价带顶附近出现杂质带,大大提高了材料的导电率。光学性质的计算结果显示,Ni掺杂后体系的光学性质有很大的改变,在吸收光谱上产生了新的吸收峰,并且随着掺杂浓度的增加,吸收范围增大。所有结果表明,CdS:Ni体系是极具潜力的透明导电材料。     

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。     

(Mg2Si1-xSbx)0.4-（Mg2Sn）0.6固溶体合金的制备及热电输运特性

以Mg、Si、Sn、Sb块体为原料,采用熔炼结合放电等离子烧结(SPS)技术制备了n型(Mg2Si1-xSbx)0.4-(Mg2Sn)0.6(0≤x≤0.0625)系列固溶体合金.结构及热电输运特性分析结果表明:当Mg原料过量8wt%时,可以弥补熔炼过程中Mg的挥发损失,形成单相(Mg2Si1-xSbx)0.4-(Mg2Sn)0.6固溶体.烧结样品的晶胞随Sb掺杂量的增加而增大;电阻率随Sb掺杂量的增加先减小后增大,当样品中Sb掺杂量x≤0.025时,样品电阻率呈现出半导体输运特性,Sb掺杂量x>0.025时,样品电阻率呈现为金属输运特性.Seebeck系数的绝对值随Sb掺杂量的增加先减小后增大;热导率κ在Sb掺杂量x≤0.025时比未掺杂Sb样品的热导率低,在Sb掺杂量x>0.025时高于未掺杂样品的热导率,但所有样品的晶格热导率明显低于未掺杂样品的晶格热导率.实验结果表明Sb的掺杂有利于降低晶格热导率和电阻率,提高中温区Seebeck系数绝对值;其中(Mg2Si0.95Sb0.05)0.4-(Mg2Sn)0.6合金具有最大ZT值,并在723 K附近取得最大值约为1.22.     

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。     

Sb掺杂ZnTe薄膜结构及其光电性能

采用真空蒸发工艺在玻璃衬底上制备了ZnTe和掺Sb-ZnTe多晶薄膜,并在氮气气氛中对薄膜进行热处理.分别利用XRD、SEM、紫外-可见分光光度计、霍尔效应测试仪对薄膜的晶体结构、表面形貌、元素组成以及光学、电学性能进行表征,研究Sb掺杂量和热处理对薄膜性能的影响.结果表明:未掺杂薄膜为沿(111)晶面择优生长的立方相闪锌矿结构,导电类型为P型.Sb掺杂并未改变ZnTe薄膜晶体结构和导电类型,但衍射峰强度降低;Sb含量直接影响着Sb在ZnTe中的存在形式,掺Sb后抑制了薄膜中Te和Zn的结合,使薄膜中Te的含量增加;室温下薄膜的光学透过率和光学带隙取决于掺Sb浓度和退火温度,并且掺Sb后ZnTe薄膜的载流子浓度显著增加,导电能力明显增强.     

GaAs光电阴极p型掺杂浓度的理论优化

为了获得高量子效率的GaAs光电阴极,要求GaAs材料的电子扩散长度足够长,且电子表面逸出几率大,这对p型掺杂浓度提出了两个矛盾的要求,需要进行优化.本文建立了电子扩散长度与p型掺杂浓度的关系曲线,并计算了不同p型掺杂浓度下的电子表面逸出几率,在此基础上计算了不同阴极厚度的GaAs光电阴极的理论量子效率随掺杂浓度的变化曲线.计算结果表明,p型掺杂浓度在～6×1018cm-3时可获得最大量子效率,掺杂浓度对量子效率的限制随阴极厚度的增大而增大.     

S掺杂CeO_2的第一性原理计算

为了探究S杂质对CeO_2体系的影响机理,采用基于密度泛函理论的第一性原理,通过S原子代替O原子建立同等条件下不同浓度的CeO_(2-x)S_x模型,并对CeO_2的晶体结构进行优化,计算并分析体系的几何结构、能带结构、态密度和光学特性。结果表明:S掺杂后CeO_2的晶格常数发生改变;S掺杂使体系的导带和价带均向低能方向移动,随着掺杂浓度的增大,禁带宽度先减小后增大,并在禁带中引入3条杂质能级;CeO_2吸收边红移,并且随着掺杂浓度的增大,对可见光的吸收增强,对紫外光的吸收减弱。