S和Al掺杂单层g-C_(3)N_(4)电子结构与光学性质的第一性原理研究

g-C_(3)N_(4)是一种典型的聚合物半导体材料,在可见光下就能完成对半导体要求较高的光催化反应。采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法研究了单层g-C_(3)N_(4)、S单掺g-C_(3)N_(4)、Al单掺g-C_(3)N_(4)和S-Al共掺g-C_(3)N_(4)的形成能、电子结构及光学性质。结果表明:S掺杂空隙I位置、Al掺杂N2位置时,杂质原子最易掺入g-C_(3)N_(4)体系。与单层g-C_(3)N_(4)相比,掺杂后的体系均发生了晶格畸变以及红移现象,拓展了体系的光吸收范围,可推测出S、Al掺杂能够提高g-C_(3)N_(4)体系的光催化性。其中,S-Al共掺杂体系的光催化性是最优的,原因是共掺杂体系的分子轨道有较强的离域性,有利于提高载流子的迁移率,并且共掺杂能使单掺杂引入的深能级变浅,减少杂质能级上的复合中心。因此,本工作提出的S-Al共掺杂可作为提高g-C_(3)N_(4)光催化活性的一种有效手段。

GGA+U方法研究C-Al掺杂GaN的电子结构和光学性质

本文用密度泛函理论的第一性原理,研究了C单掺、Al单掺、C-Al共掺GaN体系的电子结构及光学性质.通过分析发现,与本征GaN相比,掺杂后体系都发生了晶格畸变,其中C-Al共掺GaN体系,较容易形成且禁带宽度明显减小,形成了P型半导体,显著降低了电子跃迁所需要的能量;另外,该共掺体系的静介电常数最大,极化能力最强,介电虚部的主峰向低能区域偏移,并且吸收光谱在可见光范围内产生了红移现象,这都体现了C-Al共掺可以拓展GaN体系对可见光的响应范围.因此,C-Al共掺将有望提高GaN体系的光催化性能.

非金属N和过渡金属(Mo,Ru,Rh,Pd)掺杂SnO_(2)磁性的第一性原理研究

本文基于第一性原理方法,对非金属元素(N)与过渡金属元素(Mo,Ru,Rh,Pd)掺杂SnO_(2)的电子结构和磁学性质进行计算分析.结果表明:形成能与过渡金属原子半径密切相关,随着过渡金属原子半径的增加,形成能在降低,其中N-Mo掺杂体系形成能最低,故该体系最容易掺杂形成;能带结构分析表明,由于掺杂体系自旋向上/向下杂质能级的数量和分布均不对称,掺杂体系均有磁性产生;进一步探究态密度可知,体系产生磁性的原因是过渡金属原子和N原子之间产生p-d轨道杂化,最外层电子轨道上的空位及单电子相互耦合所导致.结果表明,由于掺杂原子的引入,SnO_(2)体系产生磁性,并且掺杂体系呈现亚铁磁性,其中N-Rh掺杂体系的磁性最好,其磁矩为1.88μB,有望成为良好的稀磁半导体材料.

过渡金属(Cr,Mn,Fe,Co)掺杂对TiO2磁性影响的第一性原理研究

关于过渡金属掺杂TiO2是否会产生室温铁磁性及其磁性的来源存在争议,为了解决此问题,本文采用基于密度泛函理论下的GGA+U方法对体系Ti0.875X0.125O2(X=Cr,Mn,Fe,Co)的磁学性质及光学性质进行了第一性原理的研究.首先计算了铁磁和反铁磁的基态能量,比较后推测出铁磁态为它们的基态;分析能带结构发现Ti0.875Cr0.125O2和Ti0.875Mn0.125O2两种体系保持半导体性质,Ti0.875Fe0.125O2和Ti0.875Co0.125O2两种体系表现金属特性;掺杂体系都产生了室温铁磁性,磁性来源主要是过渡金属元素(Cr,Mn,Fe,Co)3d电子轨道诱导极化了周围的O-2p态自旋电子,导致体系产生净磁矩而呈现铁磁性;掺杂体系的吸收光谱均发生了红移,有效扩展了对可见光的吸收范围.

S-Pt掺杂锐钛矿TiO2电子结构及光学性质的第一性原理计算

基于密度泛函理论体系下的第一性原理平面波超软赝势法,计算了纯TiO2体系、S、Pt单掺以及S-Pt共掺TiO2四种体系的能带结构、态密度和光学性质.结果表明:只有共掺体系为间接跃迁类型,其他体系均为直接跃迁类型.掺杂后TiO2体系的禁带宽度均减小,其中Pt单掺后的能带间隙最小.由态密度图得知共掺体系减小的原因是由Ti的3d态、O的2p态、S的3p态和Pt的5d态共同作用.吸收图谱中共掺体系的红移比纯TiO2体系、S、Pt单掺体系效果更加明显,且共掺的静介电常数最大,表明其极化能力最好.

电场对GaN/g-C_(3)N_(4)异质结电子结构和光学性质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超软赝势方法研究了GaN/g-C_(3)N_(4)异质结的稳定性、电子结构、光学性质及功函数,同时考虑了电场效应.结果表明:GaN/g-C_(3)N_(4)范德瓦耳斯异质结的晶格失配率(0.9%)和晶格失配能极低(-1.230 meV/Å^(2),1Å=0.1 nm),说明该异质结稳定性很好,且该异质结在很大程度上保留了GaN和g-C_(3)N_(4)的基本电子性质,可作为直接带隙半导体材料.同时,GaN/g-C_(3)N_(4)异质结在界面处形成了从GaN指向g-C_(3)N_(4)的内建电场,使得光生电子-空穴对可以有效分离,这有利于提高体系的光催化能力.进一步分析可知,外加电场使GaN/g-C_(3)N_(4)异质结的禁带宽度有着不同程度的减小,使得电子从价带跃迁至导带更加容易,有利于提高体系的光催化活性;此外,当外加电场高于0.3 V/Å以及低于-0.4 V/Å时,异质结的能带排列由Ⅰ型向Ⅱ型过渡,更好地实现光生电子-空穴对的分离,进一步提高了体系的光催化活性.因此,本文提出的构建异质结及施加外电场是提高体系光催化活性的有效手段.

GGA+U方法研究不同浓度Cr掺杂对TiO_(2)的磁性和光学性质的影响

本文采用基于第一性原理的GGA+U方法,计算研究了本征态锐钛矿TiO_(2)和不同浓度Cr掺杂锐钛矿TiO_(2)(1/8、1/16、1/32 )的电子结构、磁性及光学性质. 计算结果表明:所有掺杂体系中Ti_(0.9375) Cr_(0.0625) O_(2)的结合能最小,因此Ti_(0.9375) Cr_(0.0625) O_(2)体系的稳定性要高于Ti_(0.875) Cr_(0.125) O_(2)、Ti_(0.96875) Cr_(0.03125) O_(2)体系;Cr元素的掺入导致掺杂后体系发生晶格畸变,这有利于光生空穴和电子对的分离,提高其光催化性能;同时,由于Cr-3d和O-2p电子相互作用,使得掺杂体系呈现出铁磁性质,并且随着掺杂浓度的增加会使体系具有更好的铁磁性质;掺杂体系与本征TiO_(2)相比,掺杂后吸收带边均发生红移,光谱响应范围变大;并且随掺杂浓度的增加,光响应范围也在增大,从而有效增强了体系对于可见光的吸收能力.

非金属元素(F,S,Se,Te)掺杂对ZnO/graphene肖特基界面电荷及肖特基调控的理论研究

本文基于第一性原理系统研究了非金属元素F、S、Se、Te掺杂对ZnO/graphene异质结界面相互作用及其电子结构的影响。结果表明,ZnO/graphene异质结层间以范德瓦耳斯力结合形成了稳定的异质结,并且形成了n型肖特基势垒。差分电荷密度图表明graphene层的电子向ZnO层转移,使得graphene层表面带正电,ZnO层表面带负电,在界面处形成了内建电场。当掺入F原子时,异质结呈现欧姆接触;当掺入S、Se、Te原子时,异质结肖特基的接触类型均由n型转变为p型,且有效降低了肖特基势垒的高度,特别是Te原子掺入后,p型肖特基势垒高度降低至0.48 eV,提升了电子的注入效率。本文的研究结果将对相关的场效应晶体管的设计和制造提供一定的参考。

X/g-C_(3)N_(4)(X=g-C_(3)N_(4)、AlN及GaN)异质结光催化活性的理论研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,研究了单层g-C_(3)N_(4)以及X/g-C_(3)N_(4)(X=g-C_(3)N_(4)、AlN及GaN)异质结的稳定性、电子结构、功函数及光学性质。结果表明,X/g-C_(3)N_(4)异质结的晶格失配率和晶格失配能极低,说明X/g-C_(3)N_(4)具有优异的稳定性。与单层g-C_(3)N_(4)相比,X/g-C_(3)N_(4)的带隙均减小,态密度的波峰和波谷均大幅提高且出现了红移现象,处于激发态的电子数量增加,使得电子跃迁变得更为容易,表明构建异质结有利于提高体系对可见光的响应能力。此外,X/g-C_(3)N_(4)的功函数均减小且在界面处形成了内建电场,有效抑制了光生电子-空穴对的复合,这对载流子的迁移以及光催化能力的提高大有裨益。其中,GaN/g-C_(3)N_(4)的功函数最小,在界面处存在电势差形成了内建电场且红移现象最明显,可推测GaN/g-C_(3)N_(4)的光催化性能最好。因此,本文提出的构建异质结是提高体系光催化活性的有效手段。

C-Mg掺杂GaN电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论第一性原理的方法,计算了GaN、C单掺、Mg单掺和C-Mg共掺体系的电子结构和光学性质,计算结果表明:掺杂后,GaN体系的晶格发生畸变,有利于光生空穴-电子对的分离,C-Mg共掺体系结构最稳定,掺杂体系的禁带宽度均减小,其中C-Mg共掺体系的禁带宽度最小,在禁带中引入了杂质能级,说明掺杂可有效降低电子跃迁所需的能量.在光学性质方面,掺杂后,GaN在低能区介电峰和吸收峰均发生红移,且静介电常数增大;其中C-Mg共掺体系的对可见光的吸收最强,极化能力最强,因此C-Mg共掺将有望提高GaN在光催化性能和极化能力.

GGA+U方法研究C与Ti掺杂GaN的电子结构和光学性质

作为一种优良的半导体材料,GaN所具有的宽禁带导致其只能吸收可见光中的紫光,因此如何增加GaN材料对可见光的利用率是一个值得研究的问题,掺杂是解决这个问题常用的手段。本文利用第一性原理的方法对本征GaN,C单掺、Ti单掺、C-Ti共掺GaN四种体系的电子结构和光学性质做了计算和分析,结果表明:掺杂后的体系都具有良好的稳定性;掺杂后各体系的体积均增大,说明杂质的引入使体系晶格发生畸变,对光生空穴-电子对的分离有促进作用,进而提高材料的光催化性能;杂质元素的引入使体系能级发生劈裂,电子跃迁更加容易;掺杂后各体系的介电函数虚部主峰均向低能区移动,吸收谱均红移至可见光区域,其中共掺体系在蓝绿光区域的吸收系数最大,由此可以推测C-Ti共掺有助于提高GaN的光催化性能。

高浓度氧空位(V_(o))掺杂ZnO的电子结构和光学性质的第一性原理计算

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势GGA+U的方法,构建了本征ZnO和不同浓度O空位掺杂ZnO_(x)(x=0.625、0.75、0.875)的超晶胞体系,对掺杂前后体系的能带结构、态密度以及光学性质进行了计算.计算结果表明:对比本征ZnO体系,掺杂后的体系都出现了杂质能级,带隙明显比本征ZnO体系小得多,表示电子在带间跃迁时所需能量变小,有利于其对光响应范围的拓展,这在光吸收谱中得到验证,掺杂后体系的吸收带边均发生了明显的红移,其响应范围拓展到可见光区域,并且掺杂后体系的光吸收强度显著高于纯ZnO体系,其中ZnO_(0.625)体系在可见光区域红移最明显并且光吸收系数最高.

双轴应变对g-ZnO/WS_(2)异质结电子结构及光学性质影响的第一性原理计算

单层g-ZnO由于吸收光谱宽而受到研究者关注,但载流子复合是单层g-ZnO作为光催化剂无法避免的问题,如何降低电子空穴对复合率,提高单层g-ZnO对可见光利用率成为值得研究的问题,搭建异质结并对其进行双轴应变是一种可行的办法。本文采用第一性原理方法,研究双轴应变对g-ZnO/WS_(2)异质结电子结构及光学性质的调控规律。结果表明:g-ZnO/WS_(2)异质结禁带宽度为1.646 eV,由于异质结体系内部产生内置电场,降低了其光生载流子的复合率,同时异质结光吸收带边拓展至可见光区域。对异质结实施应变后,除压缩应变(-2.5%)体系外,其余应变体系吸收带边均出现红移现象,并且红移程度和对电荷的束缚能力均随着应变的增加而增强。相比于未实施应变的体系,应变体系对光生电子载流子的阻碍作用更强,其光催化能力得到更大提高。以上结果说明搭建g-ZnO/WS_(2)异质结并对其进行双轴应变对异质结的电子结构及光学性质具有显著的调控作用,使其在窄禁带及红外、可见光半导体器件和光催化材料等领域具有应用价值。

Fe和N掺杂NaTaO3电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,运用Materials Studio 8.0软件中的CASTEP模块,计算纯NaTaO3体系、N、Fe单掺NaTaO3体系及Fe-N共掺杂NaTaO3体系的能带结构、能态密度和光学性质.计算结果表明:掺杂前后NaTaO3体系均属于直接跃迁类型,所有掺杂体系的禁带宽度均小于纯NaTaO3体系,并且N单掺NaTaO3体系的费米能级穿越价带呈p型半导体特征;在光学性质方面,N单掺NaTaO3体系的吸收光谱发生红移现象,这有效扩展了对可见光的响应范围,掺杂后NaTaO3体系的静介电常数大于纯NaTaO3体系的静介电常数,因此其对电荷的束缚能力增强.

N-Sn掺杂ZnO光学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究N原子、Sn原子单掺和共掺ZnO体系的电子结构及光学性质.计算结果表明:掺杂前后其跃迁类型都是直接跃迁,N-Sn共掺体系能带宽度最小,费米能级附近出现了态密度峰.光学性质方面,N-Sn共掺发生了明显的红移现象,增强了其对可见光的响应范围.

S与V掺杂锐钛矿相TiO2电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法研究了S与V单掺杂及共掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构和光学性质.结果表明:单掺杂和共掺杂均使禁带宽度减小,且位于价带和导带之间的杂质能级能够捕获由价带跃迁至导带的电子,减少光生载流子的复合率;在光学性质中,单掺体系和共掺体系的光吸收带边均发生了红移,在可见光区的吸收系数增加,整体有效提高了TiO2的光催化效率.

N与Mn掺杂ZnO电子结构及其光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了Mn、N掺杂ZnO体系的电子结构及光学性质.结果表明:掺杂前后各体系都属于直接跃迁型,N-ZnO体系的禁带宽度最小,Mn-ZnO体系呈现N型半导体特性,并且Mn元素的掺入使得该体系在费米能级附近产生了杂质能级,大大降低了电子跃迁所需的能量.通过分析态密度图可以看出,掺杂元素N的2p态是禁带宽度变小的主要原因.光学性质方面,在可见光区域内N-Mn共掺后体系的光吸收系数最大,并且掺杂后体系的静介电常数明显增大,其中N单掺后的体系静介电常数最大,说明该体系对电荷的束缚能力最强.

GGA+U方法研究氧空位(V_(O))和不同浓度Y对ZnO光电性质的影响

采用GGA+U方法研究了Zn_(1-x)Y_(x)O_(0.875)(x=0.125、0.25、0.375)体系的电子结构和光学性质.结果表明,共掺体系中Y的掺杂浓度越高体系越容易形成;掺杂后各体系禁带中均出现杂质能级,在导带底和价带顶之间形成能量差,充当了“桥梁作用”,降低了电子发生跃迁时所需要的能量,其中Zn_(0.625)Y_(0.375)O_(0.875)的能量差最小,电子最容易发生跃迁,光催化能力最强;共掺杂体系的吸收光谱出现在可见光范围内,当共掺杂体系中Y浓度为0.375 at%时,在可见光范围内出现较强的吸收峰,表明该体系对可见光的响应最好.