含空位的二维GaN电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论,计算了二维GaN及其Ga、N空位体系的电子结构和光学性质,通过形成能的计算分析了空位缺陷体系的稳定性,然后进一步计算了各体系的电子结构,分析并讨论了空位缺陷对吸收光谱的影响。计算结果表明:Ga-N空位体系形成能最小,该结构最容易形成;Ga空位体系产生的缺陷能级使二维GaN呈现p型半导体特性,反之N空位缺陷呈现n型半导体特性,缺陷能级的出现有利于提高二维GaN电子迁移率以及光响应能力;各空位体系的吸收光谱均发生红移,其吸收系数在低能区域均大于本征二维GaN,这说明Ga、N空位的产生可以提升二维GaN对可见光的吸收能力。     

空位缺陷金红石型TiO2电子结构和光学性质的理论研究

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理模守恒赝势 方法,对纯金红石型TiO₂和Ti、O两种空位缺 陷相的几何结构、能带结构、态密度(DOS)以及光学性质进行了 系统地对比研究。结果发现,含有空 位缺陷的TiO₂键长增大,原子布局值减小并出现微弱的磁性;空位缺陷导致导带变窄,导 带和价带 都向低能级方向移动,由空位原子贡献的载流子增强了体系的电导率,费米能级上移进入导 带;与 纯金红石型TiO₂的直接带隙宽度(3.0eV)相比较,Ti空位缺陷相转 变为P型半导体且直接带隙为1.816 eV,而O空位缺陷相转变为n型半导体且间接带隙为1.961eV。同时, 两种空位缺陷结构的介电峰显 著红移,折射率有明显变化,对可见光区的吸收系数均比纯TiO₂高。与O空位结构相比,Ti 空位结构的 介电常数、折射率、消光因子和对可见光的吸收强度更大,更能增强电子在低能端的光学跃 迁,具有更佳的可见光催化性能。     

基于F范数的二维主成分分析算法及焊缝表面缺陷识别研究

针对传统二维主成分分析(two-dimensional principal component analysis, 2DPCA)算法应用于焊缝表面缺陷识别中存在重构性能及鲁棒性较弱等问题,本文将最大化投影距离和最小化重构误差引入到目标函数中,提出了一种基于F范数的非贪婪二维主成分分析算法(non-greedy 2DPCA with F-norm, NG-2DPCA-F),该算法具有良好的鲁棒性和较低的重构误差。为了进一步提取图像的结构信息和求解出维数更小的特征矩阵,进而提出一种基于F范数的非贪婪双向二维主成分分析算法(non-greedy bilateral 2DPCA with F-norm, NG-B2DPCA-F)。最后,以含有不同噪声块的焊缝表面图像数据集进行实验,结果表明,本文所提算法在平均重构误差、重构图像与分类识别实验中均表现出良好的鲁棒性能。     

硅基氮化镓微机械谐振器研究

GaN不仅具有与硅媲美的较高声速,而且也有与氮化铝相当(AlN)的大压电系数, 所以是制作MEMS谐振器的有力备选材料.研究设计了一款硅基压电氮化镓(GaN)MEMS谐振器.利用GaN中的二维电子气(2DEG)可作为开关嵌入电极的特性,通过GaN压电材料实现由电极、压电薄膜、电极组成薄膜微机械谐振器.工作时在两个电极之...     

单晶硅表面STM成像理论模型与实验分析

结合扫描隧道显微镜(STM)成像实验和第一性原理原子级模拟计算的方法已经成为材料界面表征的重要手段。超高真空条件下的STM可用于直接观察单原子等微观结构,但其成像原理还未被理解清楚。STM扫描测得的试件表面原子级图像并不直接反映材料原子的形态,实际上是表面形貌和表面电子态局域密度的综合结果。为了解释STM成像,采用第一性原理Siesta方法,研究了Si(001)面STM成像过程的电子结构,对表面粒子的原子轨道和相应的电荷密度进行计算。讨论了等高模式下扫描高度对局域电子云密度分布的影响,并分析了STM针尖几何形状对模拟结果的影响。研究表明,材料表面原子的电子云密度分布可以用来解释STM成像精度和扫描高度对比的变化。     

GaAs第一性原理研究

为了深入认识GaAs的电子结构和光学性质,计算和分析了GaAs晶体的能带结构、电子态密度、分渡态密度、光学常数,所有计算都是基于密度泛函理论(DFT)框架下的第一性原理平面渡赝势方法.研究证明,其具有广泛的应用领域.     

AlGaN／GaN二维电子气的特性研究

应用AlGaN/GaN异质结中的压电极化和自发极化边界条件自洽求解了薛定谔方程和泊松方程,求出异质结能带和二维电子气分布。研究了势垒层组分化、势垒层宽度、沟道层掺杂和栅电压变化对二维电子气特性的影响。着重研究了栅电压对二维电子气维性的控制作用,提出了使用薄势垒和重掺杂沟道的新HFET结构。     

二维光子带隙缺陷模激光器

1946年 ,E.Purcell[1 ]首次提出 ,通过把原子置于具有电磁波长尺度的低损耗腔中 ,能显著改变原子激发态的自发发射。最近 ,随着半导体激光器的出现和晶体生长及制造工艺的改进 ,对具有自发发射控制[2～ 4] 的半导体光学微腔的设计制作已有日益增长的兴趣。垂直腔面发射激光器 (VCSEL) [5 ]是具有光波长尺度的首批半导体微腔之一 ,其光约束于两个外腔生长分布布拉格反射镜之间。微盘激光器 [6 ]是另一种微腔激光器件 ,它利用高折射率微盘边缘的全内反射形成低损耗的回音廊模式。这里介绍一类微腔激光器的初步实验结果 ,其光被限制在纳米制…     

基于第一性原理的单层SnSe2二维薄膜的气敏效应

为探索SnSe2二维薄膜材料的气敏特性,采用分子力场方法系统地研究了SnSe2二维单层材料对H2,CO,NH3及NO2等4种典型气体分子的最优吸附位置和吸附能力,并基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法计算了吸附前后的键长键角变化率、能带结构、态密度及电荷差分密度等参数,分析了吸附前后的电子结构变化与气敏效应之间的内在关联。计算结果发现,吸附H2和CO未能对SnSe2单层的能带结构和电子结构产生改变,而NO2和NH3却在导带底(CBM)和价带顶(VBM)之间分别产生了新的杂质能级,并使费米能级发生位移,从而改变SnSe2单层电子结构。电荷差分密度分析进一步表明SnSe2二维单层未能对H2和CO产生响应,而对NH3和NO2却有明显的气敏效应,其中对NO2有良好的敏感性能和选择性。     

红外光电子材料的第一性原理研究

1 引言 近半个世纪以来,红外物理和红外技术在军事需要的推动下发展非常迅速,已形成一个相对独立的学科,也造就了一个庞大的产业。根据20世纪90年代初的统计,美国仅从事红     

氮化镓化学机械抛光中抛光液的研究进展

氮化镓(GaN)因具有耐酸碱、硬度大等特点使其难以进行精密加工。因此,高效实现GaN的化学机械抛光(CMP)成为了一个技术难题。CMP过程中,抛光液的组分及其性质对抛光效果起决定性的作用。对近年来应用于GaN CMP抛光液中的磨料、氧化剂、表面活性剂、光催化剂等重要组分的抛光效果及作用机理进行了回顾。主要可以归纳为磨料逐渐从单一磨料向复合磨料方向发展,阴离子表面活性剂较其他活性剂效果更好;同时,发现主流的GaN CMP过程为先氧化再去除,因此氧化剂和光催化剂逐渐成为了研究热点。最后对GaN CMP的未来研究方向进行了展望。     

闪锌矿GaN(110)表面原子和电子结构的理论计算

在密度泛函理论的基础上,采用平面波赝势方法计算了立方GaN(110)表面的原子和电子结构。结构优化表明最表层原子都向体内弛豫,且金属Ga原子弛豫幅度比非金属N原子大,同时各层层间距呈交错分布。表面弛豫后,最表层原子发生键长收缩的弛豫特性,表面Ga原子趋于形成sp2杂化得到的平面型构形,而表面N原子趋于形成p3型锥形结构。另外,理想立方GaN(110)表面在带隙中有两个明显的表面态,经过弛豫后,分别向价带和导带方向移动,并解释了导带底附近的表面态移动的幅度比价带顶附近的表面态大的原因主要由于表面Ga、N原子弛豫幅度不同引起的。此外,弛豫后,表面电荷重新分布,Ga原子周围的部分电子转移到N原子上。     

基于第一性原理的锰掺杂二维二硫族化物的电磁学特性研究

二维材料和自旋电子学已经成为当今电子学的研究热点之一。文中基于第一性原理计算方法,对Mn掺杂的单层MoS_2,MoSe_2,MoTe_2和单层WS_2的电磁学特性进行研究。结合态密度和自旋电荷密度的分析,发现由于局域Mn自旋和硫族原子的离域p自旋之间的反铁磁交换作用,Mn分别替位掺杂在Mo和W位置上会产生长程铁磁序。同时对其他过渡金属掺杂的二维硫化物的磁序进行了研究,发现过渡金属替位掺杂只存在铁磁交换作用,且无法产生长程的铁磁序。文中的研究成果预示了锰掺杂二维二硫族化物作为二维稀磁半导体的潜力,可以为相关研究提供理论支撑。     

氢诱导二维硫族化合物PtX2的电磁特性研究

为了充分研究二维重过渡金属硫族化合物材料在磁性器件中的潜在应用,基于自旋极化密度泛函理论,文中研究了氢化单层PtX₂(X=S,Se,Te)的稳定性和电磁特性。研究结果表明,单层PtX₂在氢化后具有较高的稳定性,且稳定性随硫族原子序数的增加而下降;氢化使单层PtX₂出现了磁矩,使其从半导体变为铁磁性的金属,该磁矩主要来自于窄反键子能带自旋极化下的Pt 5d电子。此外,单层PtX₂的铁磁性也随着硫族原子序数的增加而出现了下降的趋势。因此,文中的研究成果为设计二维重过渡金属硫族化合物材料的铁磁性提供了参考。     

四方晶相HfO2电子结构和光学性质研究

采用密度泛函理论(DFT)框架下的局域密度近似(LDA),计算了四方HfO2晶体的电子结构,包括能带结构和态密度.在此基础上计算了四方Hf02晶体的光学线性响应函数,包括复介电函数、吸收光谱、复折射率和光电导谱.通过比较发现,计算结果与实验结果吻合较好,说明采用密度泛函理论的局域密度近似来计算HfO2材料的光学性质是比较可靠的.     

AlGaN/AlN/GaN HEMT结构2DEG的光致发光谱

AlGaN/GaN HEMT结构材料主要用于研制微电子器件,对其发光性质的研究相对较少。通过对AlGaN/GaN HEMT结构材料的光致发光谱(PL)研究,观测到了AlGaN势垒层中Al组分为40%的AlGaN/AlN/GaN结构中二维电子气(2DEG)光致发光及其能级分裂现象。在4.5 K低温下,其2DEG发光峰在GaN带边峰能量以下30和40 meV处分裂成两个峰位,直至温度持续升高至40 K后消失。根据GaN价带顶部在单轴晶格场和自旋-轨道耦合共同作用下的能级分裂理论,因自旋-轨道耦合引起的2DEG发光峰两个分裂能级差约为10 meV,与实验测得的结果一致,因此实验观测到的2DEG发光峰的分裂现象是由于氮化镓价带能级的自旋-轨道耦合而形成的。