体相二硫化铼中点缺陷的形成与稳定性

二硫化铼是过渡金属二硫族化合物的成员,由于层间的范德华作用、合适的带隙、高的光吸收系数和长的载流子迁移距离在光电子研究领域引起广泛的关注.其中光电材料及器件的优良特性由电子结构决定,而半导体的缺陷能级对电子结构具有重要的调控,且体相二硫化铼的缺陷研究尚且缺乏.本文基于密度泛函理论的第一性原理计算,对体相二硫化铼的铼空位、硫空位、钨掺杂(或替代)铼、钨掺杂硫、锝掺杂铼和锝掺杂硫的缺陷形成能和稳定性进行了研究.结果表明:钨掺杂硫和锝掺杂硫形成深施主能级缺陷,铼空位形成浅施主能级缺陷.在富铼和富硫条件下,钨掺杂铼的缺陷形成能低且能有效降低体系总能,提高体系稳定性.钨掺杂硫的缺陷虽然能降低体系的总能提高二硫化铼的稳定性,但较大的缺陷形成能表明钨掺杂硫缺陷难以形成.上述研究结果有助于理解缺陷能级对半导体深浅能级和稳定性的影响,同时也为未来实验上设计基于二硫化铼的高效的光电子器件提供理论依据.

单层Cs_(2)PbI_(2)Cl_(2)中点缺陷的形成与稳定性

Cs_(2)PbI_(2)Cl_(2)是卤化铅钙钛矿材料的新成员,由于其高的光吸收系数和长的载流子迁移距离等优异的光电物理性能,在太阳能电池、光电探测器、场效应晶体管以及发光二极管等领域受到广泛的关注.其中光电材料及器件的优良特性由电子结构决定,而钙钛矿的点缺陷对电子结构具有重要的调控,且单层Cs_(2)PbI_(2)Cl_(2)中点缺陷的研究尚且缺乏.本文基于密度泛函理论的第一性原理计算,对单层Cs_(2)PbI_(2)Cl_(2)的铯空位、碘空位、氯空位、铯替代铅、碘替代铯、碘替代铅、碘替代氯、氯替代铯、氯替代铅和氯替代碘的缺陷形成能和稳定性进行了研究.结果表明:在富铅和缺铅条件下,碘替代氯和氯替代碘的缺陷形成能偏低,且氯替代碘能有效降低体系总能,提高体系稳定性.在缺铅条件下铯空位缺陷形成能低于富铅条件,在缺铅条件下更易形成铯空位;富铅和缺铅条件下对碘替代氯和氯替代碘的缺陷形成能基本无影响.上述研究结果有助于理解点缺陷对钙钛矿材料稳定性的影响,同时也为未来实验上设计基于Cs_(2)PbI_(2)Cl_(2)的高效的光电子器件提供理论依据.

InSe单层中点缺陷的第一性原理研究

InSe是Ⅲ-Ⅵ族化合物中的主要成员,由于其具有优异的电学性能,在太阳能电池、固体电池组等领域受到广泛的关注.光电材料及器件的优良特性由电子结构决定,而Ⅲ-Ⅵ族化合物中的点缺陷对电子结构具有重要的调控,且单层InSe中点缺陷的Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)和Heyd-Scuseria-Ernzerhof(HSE)对比研究尚且缺乏.本文基于密度泛函理论的第一性原理计算,对单层InSe的硒空位、铟空位、溴替代硒、硫替代硒、碲替代硒、镓替代铟、锡替代铟和铊替代铟的缺陷形成能和稳定性进行了研究.结果表明:在缺铟和富铟条件下,硫替代硒和镓替代铟的缺陷形成能低且可以有效的降低体系总能,提高体系的稳定性.溴替代硒具有较小的缺陷形成能,但较大的体系总能表明溴替代硒的缺陷体系不稳定.在缺铟条件下易形成铊替代铟缺陷;在富铟条件下易形成碲替代硒缺陷.上述研究结果有助于理解点缺陷对Ⅲ-Ⅵ族化合物稳定性的影响,同时也为未来实验上设计基于InSe的高效的光电子器件提供理论依据.

甲烷在ZnO表面反应制合成气的微观机理研究

利用密度泛函(DFT)和过渡态理论对甲烷分子在ZnO表面的微观反应过程进行第一性原理研究,通过建立ZnO表面的吸附模型,计算了吸附能、过渡态参数和态密度,探讨了甲烷分子在氧化锌晶体表面H解离以及H_(2)和CO的生成过程,结果表明:CH_(4)在ZnO(010)表面的最佳吸附位点为Zn位,吸附能为-4.65 kcal/mol,甲烷在氧化锌ZnO(010)面四次解离H(反应动力学上最有利路径)所需克服的能垒分别为38.6 kcal/mol、90.8 kcal/mol、53.2 kcal/mol和35.8 kcal/mol,其中甲烷第二次解离H_(2)过程能垒最高,是反应过程的决速步,降低该基元反应的活化能是关键,而-OH的形成抑制了-CH_(3)的解离.氧空位的形成增加活性位点的数量与提高位点的活性.甲烷与氧化锌表面的反应有两次H_(2)生成反应,第一次生成H_(2)的反应难度较大.

Cu掺杂及缺陷共存对ZnO光催化影响的理论研究

采用密度泛函理论研究了Cu掺杂及缺陷共存对ZnO光催化性能的影响.计算时考虑了富O和贫O两种掺杂条件.研究结果表明富O条件有利于Cu的掺杂,贫O条件则产生抑制作用.当Cu掺杂浓度较低时,不论在何种掺杂条件下,Cu的主要掺杂方式均为Cu_(Zn)型.当Cu掺杂浓度较高时,富O条件下以Cu_(Zn)-Cu_(Zn)型掺杂方式为主,贫O条件下Cu_(Zn)-Cu_(Zn)和Cu_(Zn)-Cui这两种掺杂方式都有可能出现.富O条件下Cu掺杂会促进V_(Zn)和O_(i)缺陷的产生,且引入的V_(Zn)和O_(i)缺陷趋向于距离Cu原子最近.Cu掺杂可有效降低ZnO的带隙宽度,且随着掺杂浓度的增加,相应模型的带隙宽度会继续降低.V_(Zn)、O_(i)和V_(O)缺陷共存使相应模型的带隙宽度有所增加.Cu掺杂及V_(Zn)、O_(i)、V_(O)缺陷共存使模型对可见光发生响应,扩展了模型对太阳光的吸收范围.对于Cu掺杂模型,富O条件下Cu_(Zn)-Cu_(Zn)是有利的光催化模型.对于缺陷共存模型,富O条件下Cu_(Zn)-Cu_(Zn)-V_(Zn)是有利的光催化模型,其次是Cu_(Zn)-V_(Zn)和Cu_(Zn)-O_(i),贫O条件下Cu_(Zn)-V_(O)是有利的光催化模型.

Rb吸附石墨烯纳米带电子性质和光学性质的研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法了计算了Rb、O和H吸附石墨烯纳米带的差分电荷密度、能带结构、分波态密度和介电函数,调制了石墨烯纳米带的电子性质和光学性质,给出了不同杂质影响材料光学特性的规律.结果表明本征石墨烯纳米带为n型直接带隙半导体且带隙值为0.639 eV;Rb原子吸附石墨烯纳米带之后变为n型简并直接带隙半导体,带隙值为0.494 eV;Rb和O吸附石墨烯纳米带变为p型简并直接带隙半导体,带隙值增加为0.996 eV;增加H吸附石墨烯纳米带后,半导体类型变为n型直接带隙半导体,且带隙变为0.299 eV,带隙值相对减小,更有利于半导体发光器件制备.吸附Rb、O和H原子后,石墨烯纳米带中电荷密度发生转移,导致C、Rb、O和H之间成键作用显著.吸附Rb之后,在费米能级附近由C-2p、Rb-5s贡献;增加O原子吸附之后,O-2p在费米能级附近贡献非常活跃,C-2p、Rb-5s和O-2p电子态之间强烈的杂化效应,促使费米能级附近的杂质能级分裂成能带;再增加H原子吸附之后,Rb-4p贡献发生蓝移,O-2p在费米能级附近贡献非常强,费米能级分裂出两条能带.Rb、O和H的吸附后,明显调制了石墨烯纳米带的光学性质.

钛网上CdS纳米微球的制备及可见光下产氢性能研究

为了提高催化剂的光催化产氢能力,本文采用简单的水热法,在处理后的钛网表面生长了CdS纳米微球。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)等测试手段对样品的成分、结构、形貌进行了表征,并研究了其光电化学性能及可见光下光催化性能。结果表明,钛网上生长的CdS微球由纳米棒组装而成,通过缺陷调控,Cd/S物质的量之比为1∶1(CdS-1)的样品具有良好的光电响应,在零偏压下最大光电流约为140μA,可见光下的产氢率可达212.6μmol·h^(-1)·cm^(-2),并且方便回收,是一种理想的光催化产氢材料。

稀土金属Y掺杂锐钛矿TiO_(2)(101)表面的改性

为了掌握Y原子掺杂在锐钛矿TiO_(2)(101)表面的稳定吸附位置和电子结构变化,提高其表面光催化活性,本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了Y原子掺杂在完美的、带有亚表层氧空位和带有表层氧空位的锐钛矿TiO_(2)(101)表面的结构稳定性和电子性能。结构优化和电荷密度结果表明,Y原子可以稳定吸附在三种不同的表面上。在完美表面吸附时,Y原子最稳定的吸附位置是两个三配位O原子之间的空位;与完美表面类似,在带有亚表层氧空位表面吸附时,Y原子最稳定吸附位置是与氧空位邻近的两个三配位O原子之间的空位;而在带有表层氧空位表面吸附时,Y原子则停留于氧空位邻近的四配位Ti原子位置上最稳定。电荷密度计算结果也表明Y原子与这三种表面结合非常稳固。电子态密度计算结果表明,在带有表层氧空位的锐钛矿TiO_(2)(101)表面引入Y原子会在费米面附近的带隙中引入缺陷态,带隙从1.67 eV降至1.44 eV,这有可能引起电子的分级跃迁,提高表面光催化能力。本文的研究为利用单原子Y掺杂提高TiO_(2)(101)表面光催化能力提供了理论支持。

过渡金属掺杂的g-GaN吸附Cl_(2)和CO气体分子的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算,系统研究了类石墨烯氮化镓(g-GaN)和掺杂过渡金属原子(TM)的g-GaN对Cl_(2)和CO气体分子的吸附行为。结果表明,Cl_(2)和CO在本征g-GaN上的吸附均为物理吸附,2个体系的吸附能均为正值,表明体系不稳定。相反,Cl_(2)和CO在Fe和Co掺杂的g-GaN上吸附时的吸附能为负值,且吸附能较小,表明吸附体系稳定。通过分析态密度、电荷密度差和能带结构等性质,可以得出结论:过渡金属原子的引入能有效增强气体分子与g-GaN之间的相互作用。

CZTS基单晶材料研究进展和展望

Ⅰ_(2)-Ⅱ-Ⅳ-Ⅵ_(4)型半导体铜锌锡硫(CZTS)在成本、组成元素丰度、毒性和稳定性等方面具有突出优势,被认为是一种很有前途的太阳能吸收材料,应用于绿色和经济的光伏领域。尽管Cu_(2)ZnSn(S,Se)_(4)拥有与黄铜矿相似的晶体结构和光电性能,但其转换效率却远远低于Cu(In,Ga)Se_(2)(23.5%)。传统研究多数集中在多晶薄膜材料和器件的光电性能,导致材料关键缺陷态甄别及其能带调控规律尚不清晰,成为限制CZTS基光电器件性能的瓶颈。本文综述了CZTS基单晶材料,详细介绍了其晶体结构和物理性质,概述了移动加热器法、碘输运法和熔盐法制备高质量单晶的工艺,多型纳米晶库的研究,以及天然锌黄锡矿的物性研究。根据制备的CZTS基单晶材料讨论了其光学和电学性能。最后总结了CZTS基单晶材料在半导体器件的应用及目前存在的问题,为提高Ⅰ_(2)-Ⅱ-Ⅳ-Ⅵ_(4)型半导体材料器件的性能提供可能的发展方向。

宇宙学模拟中出现本星系群卫星星系对的概率

为检验星系或宇宙学模型,使用近邻宇宙观测提供的暗物质晕中卫星星系相空间分布的独特数据,从卫星星系对的角度,研究宇宙学模拟和观测结果的相似性.在结合星系半解析模型的宇宙学模拟数据中,分别选择类银河系系统和类仙女座星系系统作为研究样本,采用与前人研究相似的相空间判据在较大的样本中计算其中卫星星系成对的比例,得到模拟中出现卫星星系对的概率远小于观测的结果.此结果与已有研究结果基本一致,对类仙女座星系样本使用与观测更相符的投影速度判据可以部分缓解模拟与观测的差别.此外,模拟中位置和速度不确定性较大的一类星系(孤儿星系,即无对应暗物质子结构的星系)对上述结果没有显著影响.

测温型NTC热敏电阻可靠性问题探索

为了优化负温度系数(negative temperature coefficient,NTC)元件在市场应用中的可靠性,分析玻封和焊片两种主流NTC热敏电阻的故障模式,研究生产工艺、加工制作、设计选型等对元件可靠性的影响。测试元件在不同环境下的性能,如高温高湿、高温浴水、低温、低温浴水等。研究发现:助焊剂残留、潮湿和浸水条件下的性能波动是影响NTC可靠性的关键因素,在湿度环境下,低温对玻封器件可靠性的影响大于高温,实验结果可用于改善NTC在各种环境下的稳定性,为相关行业的发展提供支持。

具有Ruddlesden-Popper结构的杂化非本征铁电体(Ca_(1-x)Sm_(x))_(3)Ti_(2)O_(7)陶瓷的制备及其物理性能

为探究稀土离子掺杂对Ca_(3)Ti_(2)O_(7)物理性能的调控,采用固相反应法制备了Sm^(3+)掺杂的(Ca_(1-x)Sm_(x))_(3)Ti_(2)O_(7)(x=0,0.02,0.04)陶瓷样品,通过XRD、XPS、紫外-可见光吸收光谱以及第一性原理计算等方法对样品的晶体结构、光学性能、电学性能和磁学性能进行分析.结果表明:随着Sm^(3+)含量的增加,(Ca_(1-x)Sm_(x))_(3)Ti_(2)O_(7)的晶胞参数逐渐增大.Sm^(3+)掺杂导致氧空位减少,因此样品的漏电流随着Sm^(3+)掺杂量的增加而减小.同时,随着Sm^(3+)掺杂量的增加,样品的光学带隙呈现增大趋势.此外,第一性原理研究表明,Sm^(3+)掺杂可在体系中诱导出磁性能,进一步丰富了该材料的物理性能.

第一性原理计算Mo浓度对Mo掺杂BiVO_(4)光催化性能的影响

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理研究了不同浓度的Mo掺杂BiVO_(4)的V位的电子结构、光学性质和光催化性能.缺陷形成能的计算结果说明BiMo_(x)V_(1-x)O_(4)(x=0.0625,0.125,0.25)三种掺杂体系都是可以稳定存在的.电子结构计算结果表明:BiMo_(x)V_(1-x)O_(4)(x=0,0.0625,0.125,0.25)四种体系的带隙分别为2.123 eV,2.142 eV,2.160 eV和2.213 eV.掺杂BiVO_(4)体系的带隙值均大于本征BiVO_(4),且带隙随着Mo浓度的增加而增大.BiMo_(x)V_(1-x)O_(4)(x=0.0625,0.125,0.25)三种掺杂体系的能带结构全部向低能量区域移动,导致掺杂体系导带底越过费米能级,Mo掺杂BiVO_(4)后具有n型半导体特性.光学性质计算结果表明,本征BiVO_(4)和BiMo_(x)V_(1-x)O_(4)(x=0.0625,0.125,0.25)三种掺杂体系的介电常数分别为3.08,3.90,12.7和17.50,掺杂后的静介电常数都呈现增大的趋势.对于反射系数和介电函数虚部而言,掺杂BiVO_(4)体系在低能量区域内提升明显.对于吸收系数而言,在掺杂的三种体系中,Mo掺杂BiVO_(4)体系的光吸收系数对红外光的吸收提升明显.光催化性能计算结果表明,本征BiVO_(4)氧化H_(2)O生成O_(2)的能力最弱,BiMo_(0.25)V_(0.75)O_(4)氧化H_(2)O生成O_(2)的能力最强.

Si,Ge,Zr和Sn掺杂SrTiO_(3)的电子结构和光催化性能第一性原理研究

使用QUANTUM ESPRESSO(QE)软件包实现的密度泛函理论研究了Si, Ge, Zr和Sn掺杂SrTiO_(3)的结构,电子结构和光催化性能.使用广义梯度近似(GGA)获得SrTiO_(3)的晶格常数与先前的实验数据非常一致.同时,获得了SrTi_(0.875)X_(0.125)O_(3)(X=Si, Ge, Zr, Sn)四种掺杂体系的晶格常数. SrTiO_(3)和SrTi_(0.875)X_(0.125)O_(3)(X=Si, Ge, Zr, Sn)四种掺杂的带隙值分别1.853 eV、1.849 eV、1.916 eV、1.895 eV和1.925 eV.在研究五种SrTiO_(3)体系的光催化性能时,采用剪刀算符对五种SrTiO_(3)体系的带隙值进行修正.计算本征SrTiO_(3)和SrTi_(0.875)X_(0.125)O_(3)(X=Si, Ge, Zr, Sn)四种掺杂体系的导带带边的还原电势(ECB)分别是-0.782 eV、-0.736 eV、-0.776 eV、-0.800 eV和-0.791 eV.计算得到五种SrTiO_(3)体系对应的的价带带边的氧化电势(EVB)分别为:2.418 eV、2.460 eV、2.487 eV、2.442 eV和2.481 eV.从氧化还原性质方面来看,SrTi_(0.875)X_(0.125)O_(3)(X=Zr, Sn)两种掺杂体系相对于本征SrTiO_(3)的氧化还原性提高,SrTi_(0.875)Si_(0.125)O_(3)的相对于本征SrTiO_(3)还原性降低,五种SrTiO_(3)体系的带边相对位置能够满足H2O分裂产生H_(2)和O_(2)的过程.

Sb、Ta掺杂对铌酸钾钠性能的影响

该文基于密度泛函的第一性原理计算Sb、Ta掺杂铌酸钾钠的电子结构和光学性质。通过计算发现未掺杂的铌酸钾钠带隙为2.188 eV,Sb掺杂铌酸钾钠带隙变为2.213 eV,而Ta掺杂铌酸钾钠带隙为2.098 eV。通过分析Sb、Ta掺杂铌酸钾钠的态密度发现Sb掺杂后在-10 eV左右出现新的波,位于-5.508~0.496 eV的波主要由Ta的d轨道和K的s轨道杂化而成。Sb、Ta单掺杂与共掺杂铌酸钾钠均使介电函数的实部ε_(1)(ω)分别提高,但函数整体向低能级移动,虚部在0~3.93 eV产生新的峰且向低能级移动。Ta掺杂时能量损失函数峰值提高,Sb掺杂则减少。

脉冲电子辐照下P型硅材料短期退火的数值模拟

建立了脉冲电子辐照下硅材料短期退火的数值模拟方法,主要分为两步:一是基于连续性方程得到缺陷和载流子密度的时间演化;二是基于SRH复合理论计算空穴寿命,然后根据空穴寿命计算短期退火因子。数值模拟结果表明,40 ns脉冲电子辐照下P型硅材料的短期退火可以分为两个阶段:第一个阶段发生在10^(-5)~10^(-3)s,主要是硅间隙原子被硼替位原子捕获形成硼间隙原子的过程,短期退火因子从10下降到3;第二个阶段发生在0.1~1 s,主要是空穴被氧原子捕获形成VO的过程,短期退火因子从3下降到1。脉冲电子在材料中沉积的电离能导致大量电子空穴对产生,对位移损伤短期退火主要产生两方面的影响:一方面增强了硅间隙原子的扩散能力,加速了硼间隙原子的形成;另一方面对空穴寿命产生影响。与早期文献中相同条件下的实验结果对比可发现,本文模拟结果与实验结果符合得较好。

硅掺杂对AlN材料的影响研究

近年来,对AlN材料的研究热度居高不下,对AlN材料的制备日益成熟,但是对掺杂的研究大多数是理论方面,而有效地掺杂是制备器件的前提之一。本文采用高温热扩散的方式对超宽禁带材料AlN进行N型掺杂实验研究。首先使用磁控溅射仪在AlN薄膜上溅射一层Si,然后进行高温热扩散,热扩散后测试霍尔发现其电导率没有明显规律,分析原因可能是薄膜表面沉积的Si没有完全进入AlN中,表面残余的Si影响了测试结果,进一步使用ICP刻蚀设备刻蚀掉表面残留的Si。SEM测试热扩散前后的薄膜截面厚度,发现热扩散后的厚度小于热扩散前。EDS线扫模式测试其截面发现Si含量从薄膜顶部到底部呈递减趋势,符合扩散规律。XRD测试后发现掺杂后除了衬底峰其余的峰都向大角度偏移,且霍尔测试发现高温热扩散后的样品电导率从10^(-8)Ω^(-1)·cm^(-1)到10^(-5)Ω^(-1)·cm^(-1),这些都说明了AlN材料形成有效的N型掺杂。

ZnO薄膜p型掺杂的研究进展

ZnO是一种新型的II-VI族半导体材料,具有许多优异的性能.但由于ZnO存在诸多的本征施主缺陷(如空位氧Vo和间隙锌Zni),对受主产生高度自补偿作用,天然为n型半导体,难以实现p型转变.ZnO薄膜p型掺杂的实现是ZnO基光电器件的关键技术,也一直是ZnO研究中的主要课题,目前已取得重大进展,文章对此进行了详细阐述.

稀土(Sc、Y、La)掺杂CdS光电性质的第一性原理研究

采用第一性原理赝势平面波方法对CdS掺杂稀土元素(Sc、Y、La)的光电性质进行了计算与分析.计算结果表明:Sc、Y、La掺杂后,CdS的晶格常数增大,晶胞体积也相应增大.Sc、Y、La置换Cd导致费米面进入导带中,禁带宽度有所增大,导电类型变为n型,说明稀土Sc、Y、La是n型掺杂剂.稀土原子Sc、Y、La在费米能级处提供了额外的载流电子,对CdS的电子结构起到了改善作用.稀土原子的引入,增强了稀土原子与相邻S原子的相互作用,且稀土原子与S成键都有很高的共价性.稀土掺杂后CdS的静态介电常数、吸收系数和反射率都明显降低,表明其导电性和光的透过率增强.以上结果说明稀土元素的掺入能有效调制CdS的光电性质.