稀土元素Lu,Sc掺杂GaN光电特性的第一性原理研究

基于密度泛函理论,采用广义梯度近似(GGA+U)平面波超软赝势方法,计算了本征GaN和稀土元素Lu、Sc掺杂GaN体系的电子结构和光学性质.结果表明:计算得到本征GaN的禁带宽度为3.37 eV,与实验值(3.39 eV)接近. Lu掺杂后GaN体系带隙变窄,而Sc掺杂后诱导了深能级杂质,带隙变宽,但仍为直接带隙半导体.掺杂后体系均发生畸变,晶格常数和体积增大,且在费米能级附近产生杂质带. Lu、Sc掺杂GaN体系的静态介电常数较本征GaN(4.50)均有所增大.Lu、Sc掺杂后体系介电常数虚部整体左移,光吸收边往低能方向移动,发生了红移现象.计算结果对稀土元素Lu、Sc掺杂GaN高压光电材料的开发和研究提供了理论依据.

La、Yb掺杂AlN的光电特性和磁性的第一性原理研究

为了探索AlN在光电器件的潜在应用,基于密度泛函理论,采用第一性原理计算了本征AlN和稀土元素La、Yb掺杂AlN体系的光电特性和磁性。计算结果表明:本征AlN的带隙为6.060 eV。掺入La和Yb后都在导带底产生了杂质能级,使得电子从价带到导带所需的激发能量更低,有利于光学跃迁,从而改善AlN的光学性能。Yb掺杂后自旋向上和自旋向下的价带发生了劈裂,说明Yb掺杂后产生了磁性。La、Yb替位掺杂AlN后,光吸收带边向左往低能方向移动,发生了红移现象。掺杂La和Yb后AlN体系的静态介电常数由4.63分别增大为5.14、280.44,说明掺杂之后增强了体系耐高压特性;静态折射率则由2.12分别增大为2.26、17.06,改善了AlN的光学性质。

碱土金属X(X=Be,Mg,Ca和Sr)掺杂二维SnS_(2)材料的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理研究赝势平面波方法,计算了碱土金属X(X=Be, Mg, Ca和Sr)掺杂二维单层SnS_(2)的电子结构、磁学性质和光学性质.结果表明:S-rich条件下的体系相较于Sn-rich更稳定,能带结构表明:在Be掺杂后,SnS_(2)体系从自旋向上通道和自旋向下通道完全对称的非磁性半导体转变为具有1.999μB磁矩的磁性半导体.在Mg掺杂后,体系转变为非磁性P型半导体;Ca和Sr两种掺杂体系由于极化程度的不同,导致在下自旋通道的能带穿过费米能级,而在上自旋通道的能带并未穿过费米能级,呈现出磁矩分别为1.973、2.000μB的半金属特性.同时发现X(X=Be, Mg, Ca和Sr)掺杂后,掺杂体系实部静态介电常数大幅度增加,掺杂后的SnS_(2)体系的极化能力增强,虚部数值在低能区明显变大,更适用于长波长光电器. Be, Mg, Ca和Sr掺杂不仅导致吸收边红移,而且提高了红外光区域的有效利用率.

Lu掺杂AlN的电子结构和光学性质的第一性原理研究

为了探索AlN在光电器件中的潜在应用,采用第一性原理计算了不同Lu掺杂浓度(以原子分数x表示)的AlN(Al_(1-x)Lu_(x)N)的电子结构和光学性质。研究结果表明,Al_(1-x)Lu_(x)N的超胞体积随着Lu掺杂浓度的增加而增加,而带隙则相反。Al_(1-x)Lu_(x)N的静态介电常数在低能区随掺杂浓度的提高而提高,随后逐渐趋向一致。随着Lu掺杂浓度的增加,反射率和吸收系数的峰值强度降低,峰值向较低能量方向移动。Al_(1-x)Lu_(x)N的能量损失光谱表现出明显的等离子体振荡特性,且峰值低于本征AlN。Al_(1-x)Lu_(x)N的光电导率在低能区随能量的增加而急剧增加。

不同浓度Mg掺杂单层Janus WSSe的第一性原理研究

二维Janus WSSe作为一种新型过渡金属硫族化合物(TMDs)材料由于其独特的面外非对称结构及众多新颖的物理特性,在自旋电子器件中具有巨大的应用潜力.本文基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,通过构建四种掺杂模型W_(9-x)Mg_(x)S_(9)Se_(9)(x=0、1、2、3),分别计算了不同浓度Mg掺杂单层WSSe的电子结构和光学性质.结果表明:掺杂使得WSSe由直接带隙半导体变为间接带隙半导体,并且随着掺杂浓度的增加,带隙逐渐减小,费米能级穿过价带,使得掺杂体系变成P型半导体,当x=3时,掺杂体系呈现金属性.此外,掺杂体系的静态介电常数随着掺杂浓度的增加而变大,极化程度显著增强,介电函数虚部和光吸收峰都发生了红移,说明掺杂有利于可见光的吸收.并且,静态折射率随着掺杂浓度的增加而呈现上升趋势,同时消光系数的峰值也与Mg原子的掺杂浓度呈现正相关.

氮缺陷对GaN/g-C_(3)N_(4)异质结电子结构和光学性能影响的第一性原理研究

基于密度泛函理论下的第一性原理平面波超软赝势方法,研究了单层GaN、g-C_(3)N_(4)、GaN/g-C_(3)N_(4)异质结及3种氮缺陷GaN/g-C_(3)N_(4)-V_(XN)(X=1、2、3)异质结的稳定性、电子结构、功函数及光学性能。计算结果表明,GaN/g-C_(3)N_(4)异质结体系晶格失配率极低(0.8%),属于完全共格。与单层g-C_(3)N_(4)相比,GaN/g-C_(3)N_(4)和GaN/g-C_(3)N_(4)-V_(XN)(X=1、2、3)异质结的导带向低能方向偏移,价带上移,从而导致带隙减小,且态密度均显示出轨道杂化现象。GaN/g-C_(3)N_(4)和GaN/g-C_(3)N_(4)-V_(XN)(X=1、2、3)异质结在界面处均形成了电势差,在其内部形成了从g-C_(3)N_(4)层指向GaN层的内置电场。GaN/g-C_(3)N_(4)-V_(1N)异质结的界面电势差值最大且红移现象最为明显,表明GaN/g-C_(3)N_(4)-V_(1N)异质结相较其他2个N缺陷异质结光学性能最好。氮缺陷的引入在不同程度上提高了GaN/g-C_(3)N_(4)异质结在红外光区域的光吸收能力。

第一性原理研究Al掺杂Mn_(4)Si_(7)的电子结构及光学性质

基于密度泛函理论框架下,利用第一性原理计算方法,对本征Mn_(4)Si_(7)以及不同Al掺杂浓度下Mn_(4)Si_(7)的电子结构及光学性质进行系统计算分析.Mn_(4)Si_(7)晶胞中有16个Mn原子及28个Si原子,建立4种Mn_(16-x)Al_(x)Si_(28)(x=0,2,4,8)的掺杂模型,计算结果表明:本征Mn_(4)Si_(7)的禁带宽度E_(g)=0.775 eV,属于间接带隙半导体,Al的掺入导致了Mn_(4)Si_(7)费米能级附近的电子结构发生改变,导带向低能方向发生偏移,价带向高能方向发生偏移,禁带宽度由0.775 eV降至零,呈现出金属性.计算还表明,在光子能量低能区域,Al的掺入使Mn_(4)Si_(7)的介电函数、折射率、吸收及反射系数等光学性质有所提升,改善了Mn_(4)Si_(7)在红外光区的光电性能.

Lu-Eu共掺杂Ga_(2)O_(3)的光电性质的第一性原理计算

宽禁带半导体β-Ga_(2)O_(3)因为具有优良的物理化学性能而成为研究热点.本文基于DFT(Density Functional Theory)的第一性原理方法,先采用PBE(Perdew-Burke-Ernzerhof)中的GGA(Generalized Gradient Approximation)和GGA+U(Generalized Gradient Approximation-Hubbard U)的方法计算了本征β-Ga_(2)O_(3),Lu掺杂浓度为12.5%的β-Ga_(2)O_(3)及Lu-Eu共掺杂浓度为25%的β-Ga_(2)O_(3)结构的晶格常数、能带结构和体系总能量.发现采用GGA+U的方法计算的带隙值更接近实验值,于是采用GGA+U的方法计算了本征β-Ga_(2)O_(3),Lu掺杂的β-Ga_(2)O_(3)以及Lu-Eu共掺杂的β-Ga_(2)O_(3)结构的能态总密度、介电函数、吸收谱以及反射率等.由计算结果得知β-Ga_(2)O_(3)的带隙为4.24 eV,Lu掺杂浓度为12.5%的β-Ga_(2)O_(3)的带隙为2.23 eV,Lu-Eu共掺杂浓度为25%的β-Ga_(2)O_(3)的带隙为0.9 eV,均为直接带隙半导体,掺杂并未改变β-Ga_(2)O_(3)的带隙方式.光学性质计算结果表明在低能区掺杂浓度为12.5%的Lu和Lu-Eu共掺杂浓度为25%的β-Ga_(2)O_(3)的吸收系数和反射率均强于本征β-Ga_(2)O_(3),Lu-Eu掺杂β-Ga_(2)O_(3)的吸收系数和反射率又略强于Lu掺杂β-Ga_(2)O_(3),表明Lu-Eu掺杂β-Ga_(2)O_(3)的材料有望应用于制备红外光电子器件.

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。

以Spiro-OMeTAD作为空穴传输层的ZnS/SnS太阳能电池模拟研究

硫化亚锡(SnS)因其合适的电学和光学特性而被作为太阳能电池的吸收层进行研究。Spiro-OMeTAD常用作空穴传输层以提高太阳能电池性能。本文采用wxAMPS软件对SnS基太阳能电池ZnS/SnS/Spiro-OMeTAD进行模拟研究。主要研究分析Spiro-OMeTAD空穴传输层对太阳能电池性能的影响,其中包括:开路电压、短路电流密度、填充因子、光电转换效率及量子效率。研究结果表明:在加入Spiro-OMeTAD空穴传输层后,ZnS/SnS/Spiro-OMeTAD太阳能电池的开路电压(V_(OC))增加至0.958 V,短路电流(J_(SC))增加到32.96 mA/cm^(2),填充因子(FF)和光电转换效率(PCE)分别达到了79.26%和25.07%,电池性能取决于电池各层厚度、掺杂浓度、缺陷态密度及工作温度。通过研究表明Spiro-OMeTAD作为空穴传输层,有利于提高太阳能电池的各性能,并且ZnS/SnS/Spiro-OMeTAD是一种十分具有发展潜力的光伏器件结构。

过渡金属X(X=Cr、Mn、Fe、Tc、Re)掺杂Janus Ga_(2)SSe的第一性原理研究

利用密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,研究过渡金属X(X=Cr、Mn、Fe、Tc、Re)原子掺杂Janus Ga_(2)SSe的磁性、电子性质及光学性质.研究表明:过渡金属掺杂Janus Ga_(2)SSe体系在Chalcogen-rich条件下有着比Ga-rich条件下更好的稳定性.其中Mn掺杂体系形成能在两种条件下皆为最低.本征Ga_(2)SSe是具有2.02 eV带隙的间接带隙半导体,在紫外区域有着很好的光伏吸收能力.与本征Ga_(2)SSe相比,Cr掺杂体系自旋向上通道出现杂质能级,自旋向上与向下通道不对称,呈磁矩为2.797μB铁磁性半金属.Mn掺杂体系在其自旋向上通道产生的杂质能级,呈磁矩为3.645μB的磁性P型半导体.Fe掺杂体系自旋向下通道产生的杂质能级,呈磁矩为3.748μB磁性P型半导体.在Tc与Re掺杂后,带隙皆由间接变直接带隙,呈无磁性的P型半导体.从光学性质来看,各掺杂体系与未掺杂Ga_(2)SSe在介电常数和折射系数上相比有着明显的增强,吸收系数在高能量区(3~10 eV)出现蓝移现象.有着在紫外探测器和光伏吸收领域潜在的应用前景.

过渡金属元素X(X=Mo, Tc, Ru)掺杂单层GaS的第一性原理研究

近年来,二维GaS由于其优异的性质引起了科研人员的关注.基于密度泛函理论计算了过渡金属元素X(X=Mo, Tc, Ru)掺杂单层二维GaS的电子结构、磁性性质及光学性质.计算结果表明:单层GaS材料为间接带隙的非磁性半导体,在对S位点进行替位式掺杂后,Ga-rich和S-rich条件的形成能均为正数,导致过渡金属元素Mo、Tc和Ru不能自发地进入进入单层GaS材料中.所有掺杂体系都引入了杂质能级,杂质能级主要由掺杂原子的4d轨道贡献.掺杂后所有体系的带隙都有所减小,上自旋和下自旋的能带结构不再对称,使得Mo掺杂体系呈现半金属铁磁性,Tc和Ru掺杂体系呈磁性半导体特性,Mo、Tc和Ru掺杂后的总磁矩分别为4μB, 3μB和2μB,磁矩主要由掺杂原子的局域磁矩产生.掺杂后单层GaS的静介电常数得到提高,吸收谱出现红移,在可见光区和近红外区的吸收系数变大,对可见光的利用率增强.

二维MoSi_(2)N_(4)/WSe_(2)异质结的第一性原理研究

实验上新合成的MoSi_(2)N_(4)(MSN)由于其独特的七原子层结构和电子特性引起了人们的广泛关注.本文搭建了一种由二维MSN与二维WSe_(2)(WS)垂直堆垛而成的二维MSN/WS异质结并基于第一性原理计算对其电子性质进行了计算,其表现出直接间隙半导体和I型能带排列的特性,具有1.46 eV的带隙.在异质结界面处存在一个由电荷耗尽层MSN指向电荷积累层WS微弱的内建电场.最后,通过施加双轴应变对二维MSN/WS异质结进行调控.发现在正双轴应变的作用下,MSN/WS异质结保持了原来直接带隙半导体和I型能带排列特性;在负双轴应变作用下,MSN/WS异质结由原来的直接带隙半导体转变为间接带隙半导体,当施加的负双轴应变达到-6%与-8%时,I型能带排列转变为Ⅱ型能带排列.

外加电场对空位缺陷下硫硒化钼/石墨烯异质结构的电子性质调控

本文构建了四种由Janus MoSSe和Graphene垂直堆垛而成的含缺陷异质结构。基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了外加电场对空位缺陷下Janus MoSSe/Grahene异质结构电子性质的影响。研究发现S空位缺陷下的SMoSe/Graphene异质结构在电场的作用下可以改变其掺杂类型,最高能够达到1.176 × 1013 cm−2的n-type掺杂密度。SeMoS/Graphene的S和Se空位缺陷结构在电场作用下能分别达到1.488 × 1013 cm−2和1.555 × 1013 cm−2的载流子掺杂密度,并且施加反向的电场能够完全抑制掺杂的产生。

电子束蒸发方法研究Mg2Si的薄膜及其光学带隙

Mg_2Si材料作为一种新型环境友好半导体材料,其薄膜制备方法及其光学性质的研究对其应用研发起到基础性作用.采用电子束蒸发方法在Si(111)衬底上沉积Mg膜,在氩气环境下进行热处理以制备Mg_2Si半导体薄膜.采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、分光光度计对制备的Mg_2Si薄膜进行表征.在氩气环境、温度500℃、压强200 Pa下,研究热处理时间(时间3-7 h)对Mg_2Si薄膜形成的影响.XRD和SEM结果表明:通过电子束蒸发沉积方法在500℃、热处理时间为3~7 h能够得到Mg_2Si薄膜.热处理温度是500时,最佳热处理时间是4 h,得到致密度好的薄膜.通过对薄膜的红外透射谱测试,得到了Mg_2Si薄膜的光学带隙,其间接光学带隙值为0.9433 eV,直接光学带隙值为1.1580 eV.实验数据为Mg_2Si薄膜的研发在制备工艺和光学性质方面提供参考.

Ti,V,Co,Ni掺杂二维CrSi_(2)材料的电学、磁学及光学性质的第一性原理研究

二维磁性材料的研究是一大热点,其中单层CrSi_(2)表现出优良的磁性,有望应用于自旋电子学等领域,但金属性限制了其部分层面的应用与发展.采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法研究了不同元素(Ti,V,Co,Ni)、不同掺杂浓度(原子百分比为3.70%,7.41%,11.1%)对二维CrSi_(2)电子结构、磁学及光学性质的影响,期望改善二维CrSi_(2)材料的相关性质,也为开发基于二维CrSi_(2)的电子器件提供有效的理论基础.研究表明:二维CrSi_(2)在远红外以及紫外范围内的吸收系数与反射系数都很强,表现出优异的光学性质.在原子百分比为3.70%的浓度下掺杂Ti,V,Ni后,成功打开了二维CrSi_(2)的带隙,导致其分别向间接半导体、稀磁半导体和半金属铁磁体转变,同时,掺杂能对单分子层CrSi_(2)的磁性进行有效的调控.掺杂后的二维CrSi_(2)拥有良好的光学性质,多数掺杂体系的光学性质峰值增大并发生蓝移,但在原子百分比为11.1%的掺杂浓度下,吸收峰红移.二维CrSi_(2)有望成为高稳定性的新型自旋电子器件的制备材料.

硼、铝和镓掺杂对硅纳米管电子结构和光电性质的影响

基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了本征硅纳米管(SiNTs)的几何结构,以及Ⅲ族元素B、Al、Ga掺杂对单壁锯齿型(14,0)SiNTs稳定性、电子结构和光学性质的影响。结果表明,褶皱型SiNTs为SiNTs稳定存在的结构,B、Al、Ga掺杂能够提高SiNTs的稳定性。本征(14,0)SiNTs属于窄带隙金属材料,通过B、Al、Ga的分别掺杂,SiNTs的带隙变宽,实现了SiNTs从金属性向半导体性质的转变。随着Ⅲ族元素原子序数的增大,其掺杂体系的稳定性不断降低,相应的带隙也不断减少。B、Al、Ga掺杂的单壁锯齿型(14,0)SiNTs具有近乎一致的光学性质,对于紫外光有着很强的吸收特性,并且对于红外和可见光吸收也有着不错的提升。

K、Ti掺杂Mg_(2)Si电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用第一性原理方法,对本征Mg_(2)Si以及K和Ti掺杂Mg_(2)Si的几何结构、电子结构和光学性质进行计算分析。计算结果表明本征Mg_(2)Si是带隙值为0.290 eV的间接带隙半导体材料,K掺杂Mg_(2)Si后,Mg_(2)Si为p型半导体,电子跃迁方式由间接跃迁变为直接跃迁,Ti掺杂Mg_(2)Si后,Mg_(2)Si为n型半导体,仍然是间接带隙。K、Ti掺杂后的静介电常数ε1(0)从20.52分别增大到53.55、69.25,使得掺杂体系对电荷的束缚能力增强。掺杂后,吸收谱和光电导率均发生红移现象,这有效扩大了对可见光的吸收范围,此外可见光区的吸收系数、反射系数以及光电导率都减小,导致透射能力增强,明显改善了Mg_(2)Si的光学性质。

二维缺陷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的第一性原理方法计算了存在Ga空位缺陷和掺杂B原子的二维GaAs的能带结构、态密度和光学性质.计算结果表明空位缺陷二维GaAs显示出金属特性,B原子的引入使体系变为间接带隙半导体,禁带宽度为0.35 eV.态密度计算发现体系低能带主要由Ga的s态、p态、d态和As的s态、p态构成;高能带主要由Ga和As的s态、p态构成.掺杂B原子与存在空位缺陷的二维GaAs相比,静态介电常数相对较低,变为8.42,且易于吸收紫外光,在3.90～8.63 eV能量范围具有金属反射特性,反射率达到52%.

Cr、Sn、Co掺杂对层状二维材料MoSi_(2)N_(4)的电子和光学性能的影响

基于新合成的二维材料MoSi_(2)N_(4)(MSN),我们建立了一系列MSN的掺杂模型进行了第一原理计算。首先,我们计算了本征MSN的电子特性,包括其能带结构和态密度。然后我们研究了Cr、Sn和Co掺杂对MSN的电子和光学性质的影响。结果表明,在3种掺杂体系中,Co掺杂体系表现出最低的形成能,这表明Co掺杂体系是最稳定的。通过带隙计算表明,尽管3种掺杂模型都降低了MSN的固有带隙,但却表现出3种不同的电子特性。态密度图也显示,Cr和Co掺杂体系都在导带底(CBM)和价带顶(VBM)附近产生局部尖峰。此外,光学性质的计算中表明,掺杂后体系的光学性质也得到了改善。