用第一性原理研究Ti掺杂β-Ga_2O_3的电子结构和光学性能(英文)

用GGA+U的方法研究了本征β-Ga2O3和Ti掺杂β-Ga2O3的电子结构和光学性能。晶格常数的计算值与实验值差别小于1%,本征β-Ga2O3的带隙计算值4.915eV,与实验值4.9eV一致。Ti替位Ga(1)位置和Ti替位Ga(2)位置的β-Ga2O3的价带最大值和导带最小值间隙分别为4.992eV和4.955eV,Ti掺杂引入的杂质带起到中间带作用,可以使电子从杂质带跃迁到导带和价带跃迁到杂质带。Ti掺杂β-Ga2O3中间带的存在使其成为潜在的宽光谱吸收太阳能电池材料。     

β-Ga2O3及Cr掺杂β—Ga2O3电子结构的第一性原理计算

运用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算了不同交换关联势下单斜晶系β-Ga2O3的总能量、晶格常数、总态密度、分波态密度及能带结构。理论计算结果表明：单斜晶系β-Ga2O3在局域密度近似（LDA）和广义梯度近似（GGA）下的晶格常数和带隙与实验值基本相符，其中LDA近似得到的晶格常数与实验值更接近；β-Ga2O3比六方晶系结构的α-Ga2O3更加稳定，但带隙比α—Ga2O3略小；Cr掺杂导致β-Ga2O3禁带宽度变小，费米能级处的态密度不为零，即变为半金属。     

β-Ga2O3及Cr掺杂β-Ga2O3电子结构的第一性原理计算

运用第一性原理密度泛函理论(DFT)计算了不同交换关联势下单斜晶系β-Ga2O3的总能量、晶格常数、总态密度、分波态密度及能带结构.理论计算结果表明:单斜晶系β-Ga2O3在局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)下的晶格常数和带隙与实验值基本相符,其中LDA近似得到的晶格常数与实验值更接近;β-Ga2O3比六方晶系结构的α-Ga2O3更加稳定,但带隙比α-Ga2O3略小;Cr掺杂导致β-Ga2O3禁带宽度变小,费米能级处的态密度不为零,即变为半金属.     

Fe0．875Mn0．125Si2的几何结构与电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的赝势平面波方法，对掺Mn的β-Fesi2的几何结构和电子结构进行了计算。计算表明：（1）杂质的掺入改变了晶胞体积及原子位置，掺杂是调制材料电子结构的有效方式；（2）在β-FeSi2中掺入杂质时掺杂原子的置换位置具有择位性，Mn掺杂时倾向于置换FeI位的Fe原子；（3）能带结构计算表明：掺Mn使得β-FeSi2的费米面向价带移动，形成了P型半导体。     

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。     

LMBE法异质外延β-Ga_2O_3薄膜及其紫外和发光特性的研究

采用激光分子束外延法在蓝宝石衬底上异质外延β-Ga2O3薄膜。研究了氧分压对薄膜表面结构和结晶程度的影响,结果表明β-Ga2O3薄膜的均方根粗糙度和X射线衍射谱峰的半高宽随着氧分压的减小呈现先减小后增大的趋势。并对氧分压为10-2 Pa条件下的薄膜进行了光致发光谱、紫外透射谱、禁带宽度变化和拉曼谱的研究,结果显示β-Ga2O3薄膜的带隙随氧分压的减小而不断增大,β-Ga2O3薄膜具有蓝光发光和深紫外高透射特性,是用于光电器件特别是紫外特性氧敏传感器的最佳材料之一。     

第一性原理研究InP的能带结构与光学性能

采用基于局域密度近似的第一性原理方法计算了InP的能带结构和电子态密度,并对InP晶体的电荷分布进行了Mulliken布局分析.计算表明InP是直接带隙半导体材料,其价带主要由In的5s以及P的3s、3p态电子构成,导带主要由P的3p以及In的5s、5p态电子构成;P原子与In原子的电子重叠布局数达2.30,表明In-P键的共价性较强而离子性较弱.利用Kramers-Kronig色散关系对InP的介电函数、能量损失谱、折射率以及吸收系数等进行了计算,计算结果与实验值基本一致.此外,根据计算的能带结构与态密度分析了InP电子结构与光学性质的内在联系,解释了InP材料光学性能的微观机制.     

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。     

Al掺杂CeO2体系结构和电子性质的第一性原理研究

CeO2因具有较高的储氧/释氧能力、较强的氧化-还原性能,受到人们极大关注,并在工业催化领域其有重要应用.杂质对CeO2性能具有重要影响,用基于密度泛函理论的第一性原理方法和具有三维周期性边界条件的超晶胞模型,计算并分析了金属Al掺杂对CeO2原子结构、电子结构和化学特性的影响.在计算中,用DFT+U方法描述Ce 4f电子的强关联效应,用基于GGA的PAW势描述芯电子与价电子的相互作用.计算结果表明,Al掺杂降低还原能,使形成氧空位更容易,并从原子结构和电子结构等方面对掺杂降低还原能的机理进行了分析.     

Cr和Mo掺杂对单层WSe_2能带结构影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,研究了Cr和Mo掺杂对单层WSe2能带结构的影响。计算结果表明,Mo对单层WSe2的能带结构没有影响,而Cr则影响很大。随着掺杂浓度的增加,带隙宽度逐渐减小,能带由原来的直接带隙变为了间接带隙。Cr掺杂后所产生的应力是导致能带结构发生变化的直接原因。     

Fe-N-S共掺杂锐钛矿相TiO_2的电子能带结构计算

采用第一性原理,分析Fe-N-S共掺杂锐钛矿相TiO2的晶体结构、能带结构、电子态密度及光学特性。结果表明,由掺杂TiO2晶格畸变产生的内部局域场有利于光生电子-空穴对的分离;杂质在价带顶引入的杂质能级可以作为光生空穴的浅势捕获陷阱,抑制载流子复合;费米能级附近杂质能级作为中间能级,有利于Fe-N-S共掺杂TiO2对可见光的吸收。     

Cu/Mg掺杂AlN的电子结构和光吸收研究

采用平面波超软赝势和广义梯度近似的第一性原理计算方法,对本征Al N和掺杂体系Al N∶Cu,Al N∶Mg,Al N∶Cu-Mg的超晶胞进行了几何优化,计算了它们的电子结构、能带、态密度、磁矩及光学性质等。结果表明,Al N∶Cu,Al N∶Mg均表现为100%自旋注入,材料均具有半金属性质,其中Cu掺杂体系的半金属性更稳定;Al N∶Cu-Mg共掺体系在能隙深处产生杂质带,具有金属性,改善了材料的高阻抗现象。研究发现Cu掺杂体系的磁矩最大,Cu-Mg共掺体系较Mg单掺的净磁矩有所减少。进一步分析光学性质发现,杂质离子的引入使得低能区的介电函数和复折射率函数出现明显的峰值,其中共掺体系的峰值最大,明显增强了体系对低频电磁波的吸收。     

Ti掺杂β-Ga2O3电子结构和光学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法,研究了Ti掺杂β-Ga2O3系统的电子结构和光学性质。计算结果表明,Ti替代八面体的Ga(2)时系统形成能最低,容易在实验上合成;Ti掺杂在导带底附近引入了浅施主能级,极大地提高了β-Ga2O3系统的导电性。Ti掺杂时稳定体系倾向于自旋极化态,且费米面处自旋极化率接近100%。光学性质的计算结果显示,Ti掺杂β-Ga2O3是极具潜力的n型紫外透明的半导体。     

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。     

掺杂K原子的(8,8)型碳纳米管的第一性原理研究

使用密度泛函原理分别对(8,8)型碳纳米管进行掺杂K原子的研究计算。结果表明,掺杂K原子后,碳纳米管有微小变形且与K原子之间出现电荷转移。碳纳米管的费米能级提高,且随着掺杂浓度的增大而增大,并与掺杂位置有关。同时,碳纳米管的禁带宽度减小,并与掺杂位置和掺杂浓度有关。     

掺P锐钛矿相TiO2第一性原理计算

采用广义梯度近似处理的全电势线性缀加平面波法计算了掺P锐钛矿相TiO2的电子密度、能带结构和态密度.计算结果表明,P掺杂使锐钛矿相TiO2在费米能级附近出现3条杂质能带,使能带宽度减小,从而有效地提高了TiO2的可见光响应.     

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.     

CrSi2能带结构和光学性质的第一性原理研究

采用基于第一性原理的密度泛函理论（DFT）赝势平面波方法，对CrSi2的能带结构、态密度和光学性质进行了理论计算，能带结构计算表明CrSi2属于一种间接带隙半导体，禁带宽度为0．353eV,其能态密度主要由Cr的3d层电子和Si的3p层电子的能态密度决定；计算了CrSi2的介电函数、反射率、折射率及吸收系数等。经比较，计算结果与已有的实验数据符合较好。     

纤锌矿结构ZnO的准粒子能带结构

理论上对ZnO能带的计算一般采用局域密度近似(LDA),而该方法得到的带隙结果却被严重的低估了.在本文中,我们在密度泛函理论的LDA近似的框架下,通过第一性原理GW近似(GWA)对ZnO的能带进行了修正.在LDA和GWA计算中,将Zn3d电子作为价电子,LDA结果表明ZnO是一种直接带隙半导体,同时讨论了LDA和GWA计算得到的能带之间的差异.     

掺杂单层MoS_2电子结构的第一性原理计算

采用第一性原理研究Cu,Ag,Au掺杂单层MoS_2的键长畸变、能带结构和态密度。探讨Cu,Ag,Au掺杂对单层MoS_2电子结构的影响。结果表明:Cu,Ag,Au在S位掺杂的杂质能都低于在Mo位掺杂的杂质能,其在S位掺杂的体系的稳定性强于在Mo位掺杂的体系。在S位掺杂时,杂质与最近邻的Mo,S原子的键长都发生了畸变,畸变率最大的是dAu-Mo,达23.8%。与单层MoS_2的超胞相比,掺杂体系的禁带中出现了4条新能级,导带和价带的能量向低能区移动。杂质原子周围存在着电荷聚集,同时也存在电荷损失。