基于第一性原理GGA+U方法研究Si掺杂β-Ga_(2)O_(3)电子结构和光电性质

采用基于密度泛函理论的GGA+U方法,计算了本征和Si掺杂β-Ga_(2)O_(3)的形成能、能带结构、态密度、差分电荷密度和光电性质.结果表明,Si取代四面体Ga(1)更容易实验合成,得到的β-Ga_(2)O_(3)带隙和Ga-3d态峰值与实验结果吻合较好,且贫氧条件下更倾向于获得有效掺杂.Si掺杂后,总能带向低能端移动,费米能级进入导带,呈现n型导电性;Si-3s轨道电子占据导带底,电子公有化程度加强,电导率明显改善.随着Si掺杂浓度的增加,介电函数ε_(2)(ω)的结果表明,激发导电电子的能力先增强后减弱,与电导率的量化分析结果一致.光学带隙增大,吸收带边上升速度减慢;吸收光谱结果显示Si掺杂β-Ga_(2)O_(3)具有较强的深紫外光电探测能力.计算结果将为下一步Si掺杂β-Ga_(2)O_(3)实验研究和器件设计的创新及优化提供理论参考.

分子束外延高Al组分AlGaN薄膜及Si掺杂研究

实现电学性能优良的高Al组分AlGaN外延层是制备深紫外光电器件最重要的环节之一。本工作利用分子束外延(MBE)技术,基于周期热脱附的生长方式,通过改变Al源供应量调控Al组分,并用Si进行n型掺杂,在AlN/蓝宝石衬底上得到了系列高Al组分的Si-Al_(x)Ga_(1-x)N外延层(x>0.60)。对外延层相关物理性质进行了表征测试,结果表明,外延层Al组分与生长过程中Al束流大小呈现线性关系,这为制备精确Al组分的AlGaN外延层奠定了基础。AFM结果表明,高Al组分AlGaN外延层的表面形貌强烈依赖于Ga的供应量,在生长过程中提高Ga束流可以显著降低外延层的粗糙度。基于范德堡法测量Si-AlGaN外延层电学性能,证实其载流子特性良好,其中Al组分为0.93的样品室温下自由电子浓度、电子迁移率和电阻率分别达到了8.9×10^(18)cm^(-3)和3.8 cm^(2)·V^(-1)·s^(-1)和0.18Ω·cm。

引入Si掺杂层调控InGaAs/GaAs表面量子点的光学特性

在InGaAs/GaAs表面量子点(SQDs)的GaAs势垒层中引入Si掺杂层,以研究Si掺杂对InGaAs/GaAs SQDs光学特性的影响。荧光发光谱(PL)测量结果显示,InGaAs/GaAs SQDs的发光强烈依赖于Si掺杂浓度。随着掺杂浓度的增加,SQDs的PL峰值位置先红移后蓝移;PL峰值能量与激光激发强度的立方根依赖关系由线性向非线性转变;通过组态交互作用方法发现SQDs的PL峰位蓝移减弱;时间分辨荧光光谱显示了从非线性衰减到线性衰减的转变。以上结果说明Si掺杂能够填充InGaAs SQDs的表面态,并且改变表面费米能级钉扎效应和SQDs的荧光辐射特性。本研究为深入理解与InGaAs SQDs的表面敏感特性关联的物理机制和载流子动力学过程,以及扩大InGaAs/GaAs SQDs传感器的应用提供了实验依据。

Si掺杂TiO_2纤维的溶胶-凝胶法制备及其光催化活性

采用溶胶-凝胶法并结合水蒸气活化制备了Si掺杂TiO2纤维,通过TG-DSC,XRD,FT-IR,UV-Vis-DRS,N2吸附-脱附,SEM等手段对纤维样品的结构参数及其表面形貌进行了表征,并以活性艳红X-3B模拟废水体系评价了其光催化活性.结果表明,与纯TiO2产物相比,适量Si掺杂制得的产物是具有丰富介孔结构的TiO2长纤维,不仅热稳定性和晶型稳定性俱佳,而且光催化活性得以显著提高,经900℃热处理后仍能保持结晶完好的锐钛矿相;在Si/Ti摩尔比为0.15时,其比表面积和孔容最大,光催化活性最佳,该纤维作为光催化剂反应75min,水中X-3B的降解率可达99.6%.

Si掺杂InN的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平面波超软赝势(PWP)方法,结合广义梯度近似(GGA)计算了Si掺杂的InN的电子结构和光学性质,包括能带结构、态密度、介电常数、吸收系数、反射和电子能量损失等.计算表明掺入Si后电子趋于深能级分布,介电函数虚部出现新峰、反射峰的强度有所增强,吸收边和电子能量损失谱有蓝移现象;这些变化与Si掺杂后引起电子密度改变有关.

Si掺杂锐钛矿TiO_2的第一性原理研究

为了研究Si掺杂对锐钛矿TiO_2的电子结构和光催化性能的影响,利用基于第一性原理的密度泛函理论计算了纯TiO_2及Si掺杂TiO_2的杂质形成能、能带结构及态密度.研究结果表明,Si的掺杂位置与制备条件有关,富钛和富氧条件下,Si最容易代替TiO_2中Ti的位置.几何优化后Si掺杂TiO_2超晶胞的晶格参数和晶胞体积都发生一定程度的畸变,有利于电子一空穴分离,促进光催化反应进行.Si代替Ti的位置时,禁带宽度减小,发生红移现象;另外两种掺杂状态下,禁带宽度增大,发生蓝移.掺杂位置不同,Si 3p和3s态分布范围不同,是引起电子结构发生不同变化的主要原因.

Si掺杂对溶液等离子喷涂TiO_2涂层结构及光催化性能的影响

目的采用溶液前驱体等离子喷涂制备TiO_2以及Si掺杂TiO_2涂层,并分别研究H2流量和Si掺杂对TiO_2涂层光催化性能的影响。方法通过X射线衍射、扫描电子显微镜、拉曼光谱和傅里叶变换近红外光谱表征样品的晶相、表面形貌以及化学结构,然后以甲基橙为目标物,借此模拟有机污染物,利用光化学反应仪测试TiO_2以及Si掺杂TiO_2涂层的光催化性能。结果适量Si掺杂可以细化晶粒,提升TiO_2涂层中锐钛相含量(从7.4%提高到49%),同时形成Ti—O—Si键,Si掺TiO_2涂层甲基橙的降解率达到95%左右,高于纯TiO_2涂层80%的降解率。随着H2流量增加,TiO_2涂层中的晶粒明显粗化,主要以金红石相的形式存在,H2流量为8 L/min的TiO_2涂层甲基橙降解率达到82%,要远高于H2流量为4、10 L/min的52%和33%。结论 Si掺杂TiO_2涂层比纯TiO_2涂层的光催化性能更优,当H2流量为8 L/min时,光催化性能最好。

Si掺杂Al_2O_3电子结构的第一性原理计算

本文采用第一性原理对纯Al2O3和Si掺杂的Si0.167Al0.833O1.5,Si0.25Al0.75O1.5晶体体系的能带结构、态密度进行了计算分析.结果发现:随着Si在Al2O3晶体中所占比例的增加,体系能隙变小,在Si0.25Al0.75O1.5晶体体系中能隙已降到2.5 e V,表明该体系为半导体材料;而在掺杂的体系中有数条分散的能带穿过了费米能级,即可以预测该掺杂体系有特别的光电性质;同时对比纯Al2O3和Si掺杂的Si0.167Al0.833O1.5,Si0.25Al0.75O1.5晶体体系的总态密度,发现掺杂体系的价带和导带向低能区域移动.

PDP放电单元Si掺杂MgO保护层二次电子发射系数理论研究

采用基于密度泛函理论的原子轨道展开方法的第一性原理计算了Mg1-xSixO体系的电子结构、用SIESTA软件包计算了Mg1-xSixO体系的晶胞结构,体系基态总能,确定了MgO的最优晶格常数。同时,计算了Mg1-xSixO的能带结构、态密度、分波态密度等。针对采用氖氙混合气体的PDP放电单元,分析了Si掺杂对MgO晶体的电子结构以及氖离子和氙离子二次电子发射系数的影响。结果表明,掺入微量的Si(掺杂浓度小于0.06)可提高MgO保护层氖离子和氙离子的二次电子发射系数,其中氙离子的二次电子发射系数的提高尤为显著。同时由分析结果表明,Si掺杂量存在最优化值为0.0185。

Si掺杂对AlGaInP/GaInP多量子阱性能的影响

采用LP MOCVD技术在n GaAs衬底上生长了AlGaInP/GaInP多量子阱红光LED外延片。以X射线双晶衍射技术和光致发光技术对外延片进行了表征 ,研究了Si掺杂对AlGaInP/GaInP多量子阱性能的影响。研究表明 :掺Si能大大提高 (Al0 .3 Ga0 .7) 0 .5In0 .5P/Ga0 .5In0 .5P多量子阱的发光强度。相对于未故意掺杂的样品 ,多量子阱垒层掺Si使多量子阱的发光强度提高了 13倍 ,阱层和垒层均掺Si使多量子阱的发光强度提高了 2 8倍。外延片的X射线双晶衍射测试表明 。

Si掺杂立方HfO_2的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(DFT)框架下广义梯度近似平面波超软赝势法,计算了Si掺杂立方HfO2的电子结构及光学性质。计算结果表明,掺杂后立方HfO2的电子结构发生了变化,费米面进入了杂质带,同时由态密度图可知掺杂能级的形成主要是Si的3p轨道的贡献。经带隙校正后,计算了Si掺杂立方HfO2的光学线性响应函数随光子能量的变化关系,包括吸收光谱、复介电函数、复折射率、反射光谱、损失函数及复光电导谱。结果表明,由于掺杂能级的出现,导致了立方HfO2吸收带边的红移。

Si掺杂金红石TiO_2光学特性的第一性原理研究

TiO2是一种重要的n型金属氧化物半导体功能材料。近年来的实验与理论研究表明,运用杂质掺入来减小TiO2禁带宽度是提高其活性的一种有效办法。本文运用基于局域密度泛函和赝势的第一性原理方法,从理论上研究了S i掺杂金红石相TiO2的电子结构和光学特性。通过能带结构、态密度及电荷布居的分析发现,Si原子的引入使Si-Ti的键长发生明显的变化,近邻氧原子有靠近硅原子的趋势而近邻钛原子有远离硅原子的趋势。半导体禁带宽度没有明显变化,但是禁带中产生了一个杂质能级,该杂质能级主要是由Si的3p电子和Ti的3d电子杂化引起的。因此,Si掺杂能使材料的宏观特性表现为电子激发能量减小,材料活性增强,响应可见光范围达到480 nm左右。

Si掺杂对MOCVD生长的n型Al_(0.5)Ga_(0.5)N的影响

采用AlN缓冲层技术在蓝宝石衬底上通过MOCVD方法成功制备出0.5μm的Si掺杂Al0.5Ga0.5N外延薄膜,并对其电学、光学与结构特性进行了研究。Hall测量表明,在室温下n型Al0.5Ga0.5N中的载流子浓度和迁移率分别为1.2×1019cm-3和12cm2/V.s。载流子浓度随Si掺杂量的增加而增大。利用XRD和Raman等测量方法研究了Si掺杂Al0.5Ga0.5N薄膜晶格常数c和Raman散射谱随SiH4流量的变化。随着SiH4流量的增大,Al0.5Ga0.5N薄膜的晶格常数c变小同时E2声子峰发生红移,这表明掺Si后Al0.5Ga0.5N薄膜中的压应力得到了一定程度的弛豫。

Si掺杂煤沥青制备及其炭化产物抗氧化性能的表征

通过煤沥青甲苯可溶性组分与聚碳硅烷共混合低温裂解引入具有抗氧化性的Si杂原子,制备Si掺杂煤沥青在氩气氛中经过900℃处理得到炭化产物。采用FT-IR、XRD、SEM和TG-DSC手段对Si掺杂沥青炭化产物氧化前后抗氧化性能进行表征。研究表明:经过900℃处理得到的炭化产物β-SiC以微晶形式存在,其在900℃氧化后生成的SiO2不能有效地愈合氧化后产物表面的裂纹。该炭化产物在低于950℃氧化时,该炭化产物抗氧化性相对较弱,在950-1500℃温度范围氧化时,其抗氧化性相对较强。

O_2在Si掺杂石墨烯上吸附与活化

采用包含色散力校正的密度泛函理论方法(DFT-D)研究了O2在Si掺杂石墨烯(Si-Gra)上吸附与活化.研究结果表明:1)与纯净石墨烯相比,Si掺杂极大的增强了石墨烯对O2的吸附能力.O2的最稳定吸附构型是以Side-on模式吸附在掺杂的Si的顶位,形成O-Si-O三元环.次稳定吸附构型是与Si及近邻的一个C形成O-Si-C-O四元环结构.两个吸附构型对应的吸附能分别为-2.40和-1.93eV;2)O2有两种分解路径:直接分解路径(势垒为0.53eV)和整体扩散后的分解路径(势垒为0.81eV);3)分解之后的两个O原子分别吸附在Si的顶位和相邻碳环的两个碳原子的桥位;4)电子结构分析表明吸附的O2从Si-Gra获得较多电荷,从而被活化.总之,Si-Gra具有较强的催化氧气还原能力,是一种潜在的良好的非金属氧还原催化剂.

Si掺杂对NbTaWMo难熔高熵合金的高温摩擦学性能的影响

采用放电等离子烧结技术在NbTaWMo难熔高熵合金中掺杂Si元素成功制备了NbTaWMoSi_(0.25)难熔高熵合金,研究了物相组成、显微结构和力学性能的变化,并重点对比了25~800℃的摩擦学性能.结果表明:NbTaWMo高熵合金由单一的BCC相组成,而NbTaWMoSi_(0.25)合金由BCC相和硅化物两相组成.在NbTaWMo难熔高熵合金中掺杂Si元素后,高熵合金室温下的屈服强度、抗压强度和断裂应变均有显著的提高.NbTaWMo难熔高熵合金掺杂Si元素后从25℃到800℃摩擦系数变化较小,但其耐磨性显著改善,其耐磨性的提高主要由于硅化物增强了合金的强度.NbTaWMoSi_(0.25)难熔高熵合金从室温到中温阶段的磨损机制主要为磨粒磨损,而高温阶段的磨损机制主要表现为磨粒磨损和氧化磨损的综合作用.NbTaWMoSi_(0.25)高熵合金在宽温域内具有良好的耐磨性,在高温摩擦学领域具有较大的应用潜力.

Si掺杂对Mn-Co-Ni系NTC热敏电阻电性能的影响

采用传统陶瓷工艺制备了Mn1.05-xCo0.92Ni 0.03SixO4(0≤x≤0.05)系列NTC热敏电阻样品,借用XRD、SEM和电性能测试等手段,研究了Si掺杂量对样品相结构和电性能的影响。结果表明:当0≤x≤0.03时,样品为尖晶石立方相和四方相的固溶体,室温电阻率ρ25和B25/50值均随着Si掺杂量的增加而增加;当0.03<x≤0.05时,样品为尖晶石立方相,ρ25和B25/50值均随着Si掺杂量的增加而降低。当x=0.03时,在1 373 K烧结获得的样品电性能较好:ρ25=79 501Ω·cm,B25/50=4 142 K。

溶胶-凝胶法制备Si掺杂TiO_2超滤膜

以钛酸四丁酯为Ti源、正硅酸乙酯为Si源、乙酰丙酮为螯合剂、HNO3为催化剂、P123为模板剂,采用溶胶-凝胶法制备Si掺杂的TiO2介孔材料。利用低温N2吸附-脱附法、X线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)等考察Si掺杂量对TiO2材料的微观结构及晶体结构的影响。结果表明:Si的最佳掺杂量n(Si)/n(Ti)=0.05,且Si的引入阻碍了TiO2材料组装孔的坍塌,抑制了TiO2材料的晶型转变温度,同时提高了TiO2材料的比表面积。选用最佳Si掺杂量溶胶为涂膜液,通过过滤实验表征,3次涂膜后的TiO2片式膜的纯水通量为3.6×10-5L/(m2·h·Pa),截留相对分子质量为19 900。

Si掺杂AlN的电子结构和光吸收

基于密度泛函理论第一性原理的平面波超软赝势法,研究了Si掺杂纤锌矿AlN的电子结构和光吸收性质。结果表明:杂质能级位于导带底附近,与Al3p能级复合形成导带底,使系统发生Mott相变;Si掺杂后在2.02eV附近出现新的吸收峰,从而改善系统在可见光区的吸收特性。

不同浓度的Si掺杂β-Ga_(2)O_(3)薄膜的制备及研究

本文采用射频磁控溅射法在Si(100)和石英衬底制备纯β-Ga_(2)O_(3)和不同浓度的Si掺杂β-Ga_(2)O_(3)薄膜,并且研究Si掺杂对β-Ga_(2)O_(3)薄膜结构、表面形貌和光学性质的影响。X射线衍射(XRD)测试结果表明,Si掺杂β-Ga_(2)O_(3)薄膜都未出现新的衍射峰,随着Si浓度的增加,β-Ga_(2)O_(3)的特征峰(111)逐渐向大角度方向移动。X射线光电子能谱(XPS)表明β-Ga_(2)O_(3)薄膜中成功掺入了Si元素。本文使用原子力显微镜(AFM)表征薄膜的表面形貌,结果表明薄膜表面的粗糙度随着Si浓度增加呈现单调递增的趋势。紫外-可见光(UV-visible)透射光谱表明薄膜均在可见光波段具有高透光率,薄膜的光学带隙随Si掺杂浓度的变大而变大。Si掺杂实现了β-Ga_(2)O_(3)的带隙可调,表明Si是一种有潜力的掺杂剂。