碳纳米管结构设计及电子特性研究

该文基于第一性原理方法研究单、双壁碳纳米管的电子特性和力学性能。电子结构研究表明,单壁(6,6)碳纳米管形成带隙值为0.453 eV的直接带隙半导体,其态密度主要由2p电子贡献,2s电子提供的态密度相对较少。力学性质研究表明,单壁(6,6)碳纳米管力学性质稳定,不易发生形变并且具有很高的杨氏模量、柔韧性和强度,C原子间容易结合,形成稳定的C-C键。布局分析研究表明,碳纳米管的s轨道上分布1.05单位电荷,p轨道分布2.92单位电荷,d轨道和f轨道上没有电荷。因此,C原子比较稳定,形成的碳纳米管不导电。研究结果为碳纳米管的后续研究提供理论支撑。

点缺陷对单层MoS_2电子结构及光学性质的影响研究

采用基于第一性原理的贋势平面波方法,对不同类型点缺陷单层Mo S2电子结构、能带结构、态密度和光学性质进行计算.计算结果表明:单层Mo S2属于直接带隙半导体,禁带宽度为1.749e V,Mo空位缺陷V-Mo的存在使得单层Mo S2转化为间接带隙Eg=0.660e V的p型半导体,S空位缺陷V-S使得Mo S2带隙变窄为Eg=0.985e V半导体,S原子替换Mo原子S-Mo反位缺陷的存在使得Mo S2转化为带隙Eg=0.374e V半导体;Mo原子替换S原子Mo-S反位缺陷形成Eg=0.118e V直接带隙半导体.费米能级附近的电子态密度主要由Mo的4d态和s的3p态电子贡献.光学性质计算表明:空位缺陷对Mo S2的光学性质影响最为显著,可以增大Mo S2的静态介电常数、折射率n0和反射率,降低吸收系数和能量损失.

P掺杂正交相Ca_2Si电子结构及光学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论第一性原理超软贋势平面波方法系统计算了Ca2Si及P掺杂Ca2Si的电子结构、光学性质,分析了P掺杂对Ca2Si的能带结构、电子态密度、光学性质的影响.计算结果表明:掺入P后Ca2Si的能带向低能方向偏移,禁带宽带为0.557 95eV,价带主要由Si的3p,P的3p以及Ca的4s、3d电子构成,导带主要由Ca的3d电子贡献.通过能带结构和态密度分析了P掺杂正交相Ca2Si的复介电函数、折射率、反射谱、吸收谱和能量损失函数,结果表明P掺杂增强了Ca2Si的光利用率,说明掺杂能够有效改变材料电子结构和光电性能,为Ca2Si材料光电性能的开发、应用提供理论依据.

(110)应变对立方相Ca_2P_(0.25)Si_(0.75)能带结构及光学性质的影响

采用第一性原理贋势平面波方法对（110）应变下立方相Ca_2P_（0.25）Si_（0.75）的能带结构及光学性质进行模拟计算,全面分析了应变对Ca_2P_（0.25）Si_（0.75）能带结构、光学性质的影响.计算结果表明：在92%～100%压应变范围内随着应变的逐渐增大导带向低能方向移动,价带向高能方向移动,带隙呈线性逐渐减小,但始终为直接带隙;在100%～102%张应变范围内随着应变的增加,带隙呈逐渐增大,应变达到102%直接带隙最大Eg=0.54378 e V;在102%～104%应变范围内随着应变的增加,带隙逐渐减小;当应变大于104%带隙变为间接带隙且带隙随着应变增大而减小.施加应变Ca_2P_（0.25）Si_（0.75）的介电常数、折射率均增大;施加压应变吸收系数增加,反射率减小;施加张应变吸收系数减小,反射率增加.综上所述,应变可以改变Ca_2P_（0.25）Si_（0.75）的电子结构和光学常数,是调节Ca_2P_（0.25）Si_（0.75）光电传输性能的有效手段.

BiTiO_3电子结构及光学性质的第一性原理研究

采用基于第一性原理的赝势平面波方法,对Bi Ti O3的多种结构进行了计算.计算结果表明,C1C1结构最为稳定,对应晶格参数为a=b=5.606,c=9.954;α=β=105.1°,γ=61.2°.进一步对C1C1结构的Bi Ti O3的能带结构、电子性质和光学性质进行了研究,发现Bi Ti O3是间接带隙半导体,其费米面附近的能带主要由Ti-3d和O-2p层的电子态构成.通过介电函数、复折射率和反射率等的研究,发现Bi Ti O3的光学性质为近各向同性.

Tc-P共掺杂单层MoS_2光电特性的第一性原理计算

采用第一性原理的贋势平面波方法,对比研究了未掺杂和掺杂过渡金属Tc、非金属P及Tc-P共掺杂的单层MoS2的电子结构和光学性质。计算结果表明:掺杂改变了费米面附近的电子结构,使得导带向低能方向偏移,并且带隙由K点转化为Γ点,形成Γ点的直接带隙半导体。掺杂P使带隙值变小,形成p型半导体;掺杂Tc使带隙变宽,形成n型半导体;Tc-P共掺杂,由于p型和n型半导体相互调制,使得单层MoS2转变为性能更优的本征半导体;掺杂使光跃迁强度减小,且向低能方向偏移。

(100)应变对立方相Ca_2P_(0.25)Si_(0.75)光电特性的影响

采用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理赝势平面波方法对（100）应变下立方相Ca2P0.25Si0.75的能带结构及光学性质进行了模拟计算。计算结果表明：在90%~100%的压应变范围,立方相Ca2P0.25Si0.75的带隙随着压应变增加逐渐减小;在100%~102%张应变范围,带隙随着张应变增加逐渐增大,张应变为102%时,带隙达到最大,Eg=0.513 9 eV;当张应变大于102%,立方相Ca2P0.25Si0.75转化为间接带隙半导体。在102%~120%应变范围,带隙随着应变增大而减小。当施加应变后立方相Ca2P0.25Si0.75的光学性质发生显著变化：增加压应变,立方相Ca2P0.25Si0.75的介电常数、折射率及吸收系数逐渐增加;增加张应变,反射率增加。因此,采用（100）应变可调制立方相Ca2P0.25Si0.75的能带结构和光学常数,是一种有效调节其光电传输性能的手段。

(001)应变对正交相Ca_2P_(0.25)Si_(0.75)能带结构及光学性质的影响

为了研究(001)应变对正交相Ca2P0.25Si0.75能带结构及光学性质的影响,采用第一性原理贋势平面波方法对(001)应变下正交相Ca2P0.25Si0.75的能带结构及光学性质进行了模拟计算.计算结果表明:晶格(001)面发生100%~116%张应变时,带隙随着应变增加而减小;在晶格发生88%~100%压应变时,带隙随着张应变的增加而增加;84%~88%压应变时,带隙随着压应变的增加而减小.当施加应变后光学性质发生显著的变化:随着压应变的增加,静态介电常数、折射率逐渐减小,张应变则增大.施加压应变反射向高能方向偏移,施加张应变反射向低能方向偏移,但施加应变对反射区域的影响不显著.施压应变吸收谱、光电导率的变化与介电函数和折射率相反.综上所述,(001)应变改变了Ca2P0.25Si0.75的电子结构和光学常数,是调节Ca2P0.25Si0.75光电传输性能的有效手段.

Ca_2P_xSi_(1-x)能带结构及光学性质的第一性原理计算

采用基于第一性原理的贋势平面波方法,对不同P掺杂浓度正交相Ca2Si的几何结构、能带结构、态密度和光学性质进行计算,比较不同浓度P掺杂的几何结构、电子结构和光学性质。对不同P含量下Ca2PxSi1-x的几何结构比较研究得出:随着P浓度增加Ca2PxSi1-x的晶格常数a、c减小,b增加,体积减小;掺杂浓度对电子结构的影响主要体现在P掺杂Ca2Si使得费米面向导带偏移,且随着掺杂浓度的增加而更深入地嵌入导带中,费米面附近由Ca-d Si-p及P-p电子构成的导带和价带均向低能方向移动,带隙随着掺杂浓度的增大而增大;掺杂浓度对光学性质同样有较大的影响,Ca2PxSi1-x的静态介电函数、折射率随着P掺杂浓度的增加而增加,而反射谱随着P掺杂浓度的增加而减小。适当的P掺杂能够提高Ca2Si对光的吸收系数和折射率,降低光的反射,提高了Ca2Si的光电转换效率。

单斜BiScO3和BiCrO3的电子结构和光学性质的第一性原理比较研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对单斜BiScO_3和BiCrO_3的电子结构和光学性质进行了比较研究.结果表明:BiScO_3为无磁绝缘体,带隙为直接带隙,BiCrO_3为间接带隙磁性半导体;BiScO_3和BiCrO_3都不吸收能量小于1.02 eV的光子,BiScO_3吸收可见光的能力强于BiCrO_3.

正交相Ca_2Ge电子结构及介电极化特性的第一性原理研究（英文）

采用基于密度泛函理论的第一性原理超软贋势平面波方法计算了Ca_2Ge的电子结构、各方向的介电函数和极化对各方向的介电函数的影响。研究结果表明:Ca_2Ge是带隙值Eg=0.483 e V的直接带隙半导体,价带主要由Ca 3d和Ge 4p电子贡献,价带中存在s-p-d和p-d两种轨道杂化,导带主要由Ca 3d电子贡献,不存在杂化轨道。Ca_2Ge介电函数存在各项异性,当受到极化时,(100)和(001)方向的介电常数减小,虚部的第一介电峰呈现蓝移现象,最大介电峰增强,电子跃迁增加;(010)方向的介电常数增加,虚部第一介电峰呈现红移,最大介电峰增加。说明极化促进电子跃迁,是调控电子跃迁的有效手段,计算结果为的研究提供理论参考。

点缺陷对CdS电子结构及光电特性的影响

采用密度泛函理论(DFT)的第一性原理超软赝势方法,计算了缺陷对CdS的电子结构和光电特性的影响。计算电子结构结果表明:CdS是带隙宽带为1.943eV的直接带隙半导体材料。价带主要由S 3p态电子贡献,导带主要由Cd 4d 5s和S3p态电子决定;V_(Cd)缺陷使得Cd_S在G点形成0.867e V的直接带隙;V_S缺陷使得CdS形成隙值为0.948e V的G-M点间接带隙;V_(S-Cd)缺陷使得CdS形成带隙值为0.966eV的K-G点间接带隙;V_(Cd-S)缺陷使得CdS转化为带隙值为0.438e V的n型直接带隙半导体。光学特性计算结果表明:缺陷均使得光学特性向低能方向偏移,同时引起介电常数增加,吸收系数增加,能量损失函数增加。计算结果为CdS光电特性的研发提供理论依据。

外压调制对Cr-Se共掺杂单层MoS2光电特性的影响

采用基于第一性原理的贋势平面波方法,对比研究了Cr-Se共掺杂单层MoS2未施应变和(0001)面施加应变的光电特性。计算结果表明:未施加应变体系属直接带隙半导体,张应变下体系的带隙值随应变增加而减小,压应变下带隙值随应变增加先增加后减小,在应变为-6%时转化为Γ-M间接带隙半导体,带隙值达到极大值1.595eV;介电函数和折射率随张应变的增加而增加,随压应变增加先减小后增大,在压应变为-6%时达到极小值3.627和1.905;光电导率和能量损失函数随张应变增加而减小,随压应变增加先增加后减小,应变分别为-5%和-2%时达到极大值2.588和9.428。可见,应变能更精细地调制Cr-Se共掺杂单层MoS2的光电特性。

P和Al掺杂立方相Ca_2Si电子结构及光学性质的第一性原理计算（英文）

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软贋势方法,分别计算了立方相Ca_2Si及掺杂P、Al的电子结构和光学性质。结果表明:立方相Ca_2Si是带隙为0.55483 eV的直接带隙半导体,价带主要由Si的3p和Ca的3d、4s态电子构成,导带主要由Ca的3d、4s和Si的3p态电子共同构成,静态介电常数为11.92474,折射率为3.45322。Ca_2Si掺P后,Ca_2Si转变为n型半导体,其带隙值是0.42808 V,价带主要由Si、Al的3p和Ca的3d、4s态电子构成,导带主要由Ca的3d、Al的3p、3s和Si的3p态电子构成。静态介电常数为7.92698,折射率为2.81549。掺Al后,Ca_2Si转变为n型半导体,带隙值是0.26317 eV,费米面附近的价带主要由Si、P的3p和Ca的3d态电子构成,导带主要由Ca的3d 4s、P的3p、3s和Si的3p态电子构成。静态介电常数为17.02409,折射率为4.12603。掺P和Al均降低Ca_2Si的反射率,提高Ca_2Si的吸收系数,提高Ca_2Si的光利用率。说明掺杂能够有效地改变Ca_2Si的电子结构和光学性质,为Ca_2Si材料的研发和应用提供理论依据。

CdS电子结构及光电特性的第一性原理研究

研究了各向极化对CdS电子结构及光电特性的影响。采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理超软赝势方法对CdS基态的电子结构和光电特性进行系统地计算,计算得到CdS是带隙宽带为1.943eV的直接带隙半导体材料。价带主要由S 3p态电子贡献,Cd 4p和Cd 4d态电子贡献较少;导带主要由Cd 4d5s和S 3p态电子决定,S 3s态电子贡献较少。在a、b、c三个方向的极化下研究CdS光学特性的各向异性,沿a方向和b方向极化的各个光学参量都完全相同,静态介电常数为7.234,但沿c方向的静态介电常数为6.273。其它光学参量的各向异性变化与介电函数相同,表明CdS晶体光学性质存在各向异性。计算结果为CdS光电特性的研究提供理论依据。

立方晶系Ca_2Si声子色散和热力学性质的第一性原理计算（英文）

采用模守恒贋势和超软贋势两种方法分别计算立方晶系Ca_2Si的声子色散关系、声子态密度和热力学特性。运用线性响应方法和有限位移方法确定立方晶系Ca_2Si的声子色散关系和声子态密度,得到立方晶系Ca_2Si的声子振动模式是各向异性,且立方晶系的Ca_2Si是不稳定结构。在声子色散关系确定的基础上分别计算定容热容、焓、熵和自由能随温度的变化关系,得到Cv-T曲线在低温条件下符合德拜第三定律;当T=1000K时,立方晶系Ca_2Si的热熔Cv=21 J·mol^(-1)·K(-1);在高温条件下,随着温度的增加Cv→3R。通过分析声子色散、振动关系和热力学特性得到立方晶系Ca_2Si的振动系统由声子和电子组成。

(100)应变对正交相Ca_2P_(0.25)Si_(0.75)能带结构及光学性质的影响

采用第一性原理赝势平面波方法对（100）应变下正交相Ca2P0.25Si0.75的能带结构及光学性质进行模拟计算.计算结果表明：（100）面在晶格发生100％～116％张应变时,带隙随着应变增加而减小;在晶格发生96％～100％压应变时,带隙随着张应变的增加而增加;88％～96％压应变时,带隙随着压应变的增加而减小;当压应变大于88％后转变为间接带半导体.当施加应变后光学性质发生显著的变化：随着压应变的增加静态介电常数、折射率逐渐减小,张应变则反之.施加压应变反射向低能方向偏移,施加张应变反射向高能方向偏移,但施加应变对反射区域的影响不显著.施压应变吸收谱、光电导率的变化与介电函数和折射率相反.综上所述,应变可以改变Ca2P0.25Si0.75的电子结构和光学常数,是调节Ca2P0.25Si0.75光电传输性能的有效手段.

FERE法研究M_xO_y(M=Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni)形成能

采用密度泛函理论(DFT)中的广义梯度近似法(GGA+U)对氧化物M_xO_y(M=Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni)进行几何结构优化,然后计算其总能,根据形成能与总能的关系求出它们的形成能,再用FERE(Fitted Elemental-phase Reference Energies)方法对形成能进行修正。结果表明:修正后,每个单胞形成能相对实验值的平均绝对偏差由0.59 eV降低到0.46 eV,其中Ti-O、V-O、Co-O和Ni-O化合物的形成能修正值更接近实验值;而其他元素氧化物的形成能修正值相对于实验值的平均绝对偏差略有增大。

立方相Ca_2Ge结构稳定性的第一性原理研究

采用贋势平面波中的GGA和LDA两种近似方法分别计算立方相Ca_2Ge在-6~8 GPa应力作用下的弹性特性、布局分析、电子结构和(100)面的电荷密度,分析应力作用下立方相Ca_2Ge的结构稳定性。计算结果表明,当应力在-6~8 GPa范围,立方相Ca_2Ge具有较好的力学稳定结构,体弹模量B、剪切模量G和杨氏模量E随应力的增加而增加,体弹模量B的增长呈线性增加,而剪切模量G和杨氏模量E的增长速率随应力的增加而减小。根据Pugh准则,当应力小于4 GPa时,立方相Ca_2Ge表现为脆性,应力大于等于4 GPa时,表现为延性。根据布局分析结果,随着压力的增加,Ca原子4s态电子向3d态跃迁,立方相Ca_2Ge化合物在较高压力下存在共价键,离子性降低。能带结构和态密度计算结果表明,应力在-4~8 GPa范围,带隙值随应力的增加而成线性降低,在-6~0 GPa应力下,Cas态电子未参与成键,随着应力的增加,各电子态的能带线宽度增加,态密度的峰值宽度增加,表明电子云的重叠越大,电子间的成键强度加强。分析立方相Ca_2Ge(100)面的电荷密度,得出(100)面上最大电荷密度值随应力的增加而减小,最小电荷密度值随应力的增加而增加,说明(100)面上电子局域性随应力的增加而降低,电子云的重叠程度随应力的增加而增大,电子轨道半径增大,成键强度增强。

立方相Ca_2Ge电子结构及热力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平面贋势平面波法对立方相Ca_2Ge的电子结构和声子色散关系进行了研究。分析得到:立方相Ca_2Ge是带隙为0.553eV的直接半导体,导带主要由Ca 3d电子态贡献,决定了立方相Ca_2Ge半导体的特性。由声子色散和声子态密度关系分析得到立方相Ca_2Ge晶格振动声学波由Ca原子和Ge原子贡献,光学波低频段(4.6~5.5THz)主要由Ge原子贡献,高频段(5.5~7.3THz)主要由Ca原子贡献。利用准谐德拜模型研究立方相Ca_2Ge的热力学特性,计算结果表明:恒定温度下,体积变化率、热容和热膨胀系数随压力的升高而降低,体弹模量B随压力的升高而增加;压强恒定条件下,体积变化率和体弹模量B随温度的增加而减小,热膨胀系数和热容随温度的增加而增加,当温度高于800K时,热熔CV受压力的影响较小,且接近Dulong-Petit极限。通过对立方相Ca_2Ge电子结构和热力学特性进行系统的研究得到完整的热力学参量,为Ca_2Ge后期的研究提供理论参考。