La掺杂氧空位的α-Bi_(2)O_(3)电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于第一性原理的方法研究了本征α-Bi_(2)O_(3)、La掺杂、氧空位掺杂和共掺杂体系的电子结构与光学性质,以期获得性能比较优异的α-Bi_(2)O_(3)光催化材料。研究结果表明:掺杂后,体系结构变形较小,其中氧空位(V_(O))掺杂和La-V_(O)共掺杂体系的禁带宽度价带和导带同时下移且在禁带中引入杂质能级,说明掺杂可以减小电子从价带激发到导带所需能量,有利于电子的跃迁。特别是相对于氧空位单掺杂,La-V_(O)共掺杂使杂质能级向导带底靠近,这个倾向可能使该复合缺陷成为光生电子捕获中心的概率大于成为光生电子-空穴对复合中心的概率;同时,La-V_(O)共掺杂导致导带底附近的能带弯曲的曲率增大即色散关系增强,从而降低了电子的有效质量,加速电子的运动,因此,La-V_(O)共掺杂能大幅改善光生电子-空穴对的有效分离。另一方面La-V_(O)共掺杂在显著扩展可见光吸收范围的同时,还极大地增强了可见光吸收强度。因此,La-V_(O)共掺杂有效改善了α-Bi_(2)O_(3)的光催化活性。本研究为利用稀土离子掺杂改善其他光催化材料的性能提供了一个新的思路。

Mg,N掺杂β-Ga_(2)O_(3)光电性质的第一性原理计算

通过基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了Mg单掺杂、N单掺杂和不同浓度的Mg-N共掺杂β-Ga_(2)O_(3)的结构性质、电子性质和光学性质,以期获得性能比较优异的p型β-Ga_(2)O_(3)材料。建立了五种模型:Mg单掺杂、N单掺杂、1个Mg-N共掺杂、2个Mg-N共掺杂和3个Mg-N共掺杂β-Ga_(2)O_(3)。经过计算,3个Mg-N共掺杂β-Ga_(2)O_(3)体系的结构最稳定。此外,在5种模型中,3个Mg-N共掺杂β-Ga_(2)O_(3)体系的禁带宽度是最小的,并且N 2p和Mg 3s贡献的占据态抑制了氧空位的形成,从而增加了空穴浓度。因此,3个Mg-N共掺杂β-Ga_(2)O_(3)体系表现出优异的p型性质。3个Mg-N共掺杂体系的吸收峰出现明显红移,在太阳盲区的光吸收系数较大,这归因于导带Ga 4s、Ga 4p、Mg 3s向价带O_(2)p、N 2p的带间电子跃迁。本工作将为p型β-Ga_(2)O_(3)日盲光电材料的研究和应用提供理论指导。

Al_(x)Ga_(1-x)_(2)O_(3)结构、电子和光学性质的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了不同Al掺杂浓度β-Ga_(2)O_(3)(即Al_(x)Ga_(1-x)_(2)O_(3))的晶体结构、电荷密度分布、能带结构、态密度和光学性质,并对本征β-Ga_(2)O_(3)和不同Al掺杂浓度的β-Ga_(2)O_(3)的计算结果进行了分析对比。结果表明,随着Al掺杂浓度的增加,(Al_(x)Ga_(1-x))_(2)O_(3)的晶格常数和键长均单调减小,而带隙逐渐增大。β-Ga_(2)O_(3)导带底上方存在主要由Ga 4s和Al 3p轨道组成的中间带,Al掺杂在此中间带引入杂质能级,从而导致带隙增加。同时,Al的引入使态密度向高能侧偏移了近3 eV,也导致了带隙的增加。根据光学性质的计算结果,在掺杂Al后,介电函数的虚部和吸收系数均观察到明显的蓝移现象。这是由价带顶中的O 2p态和导带底中的Ga 4s态之间的跃迁产生的。并且,随着Al掺杂浓度的增加,蓝移现象加剧。本文研究可为基于Al_(x)Ga_(1-x)_(2)O_(3)光电器件的设计提供思路和理论指导。

Nd掺杂Mg_(2)Si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赝势平面波方法,探究了未掺杂Mg_(2)Si以及Nd掺杂Mg_(2)Si的能带结构、态密度和光学性质。计算结果表明:Nd掺杂Mg_(2)Si后,Mg_(2)Si禁带宽度从0.290 eV降低到0 eV,导电性能提升;未掺杂的Mg_(2)Si,当光子能量大于0.9 eV时,才开始慢慢具备吸收能力,掺杂Nd之后的Mg_(2)Si对能量为0.2 eV的光子就开始吸收,大大改善了Mg_(2)Si对红外光电子的吸收。掺杂后的光吸收系数和反射率都变小,表明掺杂后的Mg_(2)Si对光的穿透率增大。计算结果为Mg_(2)Si材料在光电器件方面的应用提供了理论依据。

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。

不同浓度下V掺杂Mg_(2) Si的第一性原理研究

本文用基于密度泛函理论的超软赝势平面波方法,分别计算了四种V掺杂模型Mg_(2-x)V_(x)Si(x=0,0.25,0.5,0.75 )的电子结构和光学性质,并对其能带图、态密度图和光学性质进行了分析. 结果表明,V掺杂之后会使Mg_(2) Si由其原本的半导体性变为半金属性,在费米能级处出现了杂质能级,态密度图也显示V元素的3d轨道的贡献在费米能级附近占据主导地位,Mg_(2) Si的光学性质随着V元素的掺入也发生了改变. 该文为Mg_(2) Si材料在电子器件和光学器件方面的应用提供了理论依据.

Li掺杂α-Bi_(2)O_(3)电子结构和光电性质的 第一性原理研究

α-Bi_(2)O_(3)是一种新型光催化材料,则改善α-Bi_(2)O_(3)在可见光范围内的光吸收率,对其在污水处理和环境治理方面的应用具有重要意义。本文采用第一性原理密度泛函理论对Li掺杂α-Bi_(2)O_(3)的晶体结构、电子结构、光学性质进行了计算研究。结果表明,Li掺杂α-Bi_(2)O_(3)的体系结构较为稳定,有较小的结构变形。本征α-Bi_(2)O_(3)是带隙值为2.85eV的间接带隙半导体,Li掺杂后由于Li 2s态电子的影响,促使价带能级杂化,体系禁带宽度减小为1.131 eV,导带下方出现了杂质能级,便于电子跃迁,降低氧化还原反应所需光子能量,提高光催化效率。Li掺杂使α-Bi_(2)O_(3)对可见光的吸收范围由400.00nm~478.76nm延伸至400.00nm~800.00nm,拓宽了α-Bi_(2)O_(3)的可见光吸收范围,吸收边界发生红移。研究结果阐明了Li掺杂α-Bi_(2)O_(3)光催化性能得到提高的理论原因,为Li掺杂α-Bi_(2)O_(3)在光催化领域中的应用提供了理论基础。