Sb掺杂SnO_2材料电子结构与光学性质的第一性原理研究

利用密度泛函理论第一性原理的计算方法研究了不同浓度Sb掺杂SnO_2材料的电子结构和光学性质。电子结构表明:Sb掺杂SnO_2能带中引入新的能级,价带整体下移,导电性能增强;随着Sb掺杂量的增加,施主能级深度逐渐增大。光学性质表明:随着Sb掺杂量的增加,SnO_2反射光谱与吸收谱波峰位逐渐红移,而且吸收率逐渐变大。Sb掺杂使SnO_2可见光透过率逐渐下降,Sb掺杂量大于12.5%时,可见光透过率急剧下降。

稀土硼化物LaB_6晶体材料的弹性性质和力学性能

利用密度泛函理论和Birch-Murnaghan物态方程,系统分析了LaB6晶体材料的弹性常数参数、体弹性模量、剪切弹性模量及其他力学性能。结果表明:LaB6晶体具有较大的弹性常数参数C11,说明在此主轴应力方向上具有较大的弹性常数;同时它还具有较大的体弹性模量,并且体弹性模量具有各向同性,剪切弹性模量具有各向异性;LaB6晶体的杨氏模量为227.85 GPa,泊松比为0.26,体剪弹性模量比值达到1.44,表明其脆性较强,不易发生弹性形变;LaB6晶体的硬度达到11.56 GPa,平均弹性波速达4.87 km/s。LaB6的带隙宽度为0.20 eV,呈金属性,内部电子具有较强的局域性,La和B之间具有较强的共价键成分。

CaMnO_3晶体材料力学性能的研究

基于密度泛函理论和Birch-Murnaghan状态方程系统分析研究了CaMnO_3晶体材料的弹性常数、体弹模量、剪切模量和力学性质。结果表明,CaMnO_3晶体材料具有较大的C11和C22,其还具有较大的体弹模量和剪切横量,具有一定的弹性各向异性。其杨氏模量高达219. 62 GPa,较不易发生弹性形变。CaMnO_3晶体材料具有较小的泊松比和体剪模量比,表明其极强的脆性,其硬度也达到28. 255 GPa。CaMnO_3晶体材料内部电子局域化较强,价带电子具有较大的有效质量,Mn与O之间的弱共价性结合可能是其高硬度和高剪切模量的原因。

Tb掺杂CaMnO_3氧化物材料热电输运性能的研究

采用溶胶-凝胶法结合陶瓷烧结工艺制备了Tb掺杂CaMnO_3基氧化物热电材料,系统研究了Tb掺杂材料物相组成、微观组织和和电输运性能。结果表明,Tb掺杂试样均为单一物相的CaMnO_3晶体材料。随着Tb掺杂量的增加,试样晶粒逐渐细化。所得CaMnO_3基材料内部晶粒互连,试样结构较为致密。所有Tb掺杂试样电阻率随温度升高而降低,呈明显的半导体传输特性,其中Tb掺杂量为0. 14的试样电阻率最低。Tb掺杂试样Seebeck系数绝对值随掺杂量的增加而降低,这是由于Tb掺杂引入的电子型载流子造成的。所有试样功率因子均随温度升高而逐渐增加,并且所有Tb掺杂试样的功率因子均大于未掺杂试样。其中Tb掺杂量为0. 08的块体试样功率因子在测试温度最高点973 K时达到最大值2. 0×10-4W·m-1·K-2,远高于未掺杂试样,通过稀土元素Tb掺杂可以优化CaMnO_3基过渡金属氧化物材料的电性能。

Sb掺杂对SnO2薄膜光电性能的影响研究

以乙醇为溶剂采用溶胶-凝胶法制备出了Sb掺杂的SnO_2复合透明导电薄膜,并利用XRD,SEM,紫外-可见分光光度计,四探针电阻仪等测试方法对Sb掺杂的SnO_2复合薄膜的结构和物性进行了研究。结果表明,当Sb掺杂量小于摩尔分数7%时,SnO_2复合薄膜均呈四方金红石型晶体结构;随着Sb掺杂量的增加,薄膜电阻率先降低后增大,当Sb掺杂量为摩尔分数5%时,薄膜电阻率达到最小值1.4×10^(–3)?·cm。在350~700 nm波长范围内,当Sb掺杂量小于摩尔分数7%时,SnO_2复合薄膜的透过率均在80%以上。

Zn_3V_2O_8的电子结构与光学性质的理论研究

采用平面波超软赝势密度泛函理论的方法研究了Zn_3V_2O_8的能带结构、电子态密度和光学特性。能带结果显示Zn_3V_2O_8呈间接带隙的绝缘体型能带,其禁带宽度为2.9 e V。详细的电子态密度结果显示其费米面上的态密度达到20 e/e V,费米能级附近的能级由Zn3p、V3p和O2p电子形成,Zn3d和O2s之间有强的杂化作用。介电性能结果显示在4.4~5.7 e V附近有强的吸收峰,在20.6 e V附近有一个次强吸收峰;吸收光谱显示在6.8 e V处有强吸收,在20.7 e V处有一个较弱的吸收峰。

Sr掺杂对CaMnO3基氧化物电子性质及热电输运性能的影响

采用密度泛函理论计算分析的方法研究了Ca位Sr掺杂的CaMnO_3基氧化物的电子性质和电性能;采用柠檬酸溶胶-凝胶法结合陶瓷烧结制备工艺制备了Ca位Sr掺杂的CaMnO_3基氧化物块体试样,分析研究了所得试样的热电传输性能.结果表明,Sr掺杂CaMnO_3氧化物仍然呈间接带隙型能带结构,带隙宽度由0.756 eV减小到0.711 eV.Sr掺杂CaMnO_3氧化物费米能级附近的载流子有效质量均得到调控,载流子浓度也有所增大.Sr比Ca具有更强的释放电子能力,其掺杂在CaMnO_3氧化物中表现为n型.Sr掺杂的CaMnO_3基氧化物材料电阻率大幅度降低,Seebeck系数绝对值较本征CaMnO_3基氧化物材料有一定程度的增大,Sr掺杂量为0.06和0.12的Ca_(1-x)Sr_xMnO_3(x=0.06,0.12)试样,其373 K的电阻率分别降低至本征CaMnO_3基氧化物材料的25%和21%,其373 K的Seebeck系数绝对值分别是本征CaMnO_3基氧化物材料的112.9%和111.1%,Sr掺杂有效提高了CaMnO_3基氧化物材料的热电性能.

Mg掺杂对CaMnO_3基热电氧化物电子结构及电性能的影响研究

采用超软赝势密度泛函理论计算的方法研究了Mg掺杂Ca位CaMnO_3基复合氧化物的能带结构、电子态密度和电荷分布状况,在此基础上分析了Mg掺杂氧化物的电性能。结果表明,Mg掺杂CaMnO_3氧化物仍然呈间接带隙型能带结构,带隙宽度由0.756 e V减小到0.734 e V。CaMnO_3氧化物和Mg掺杂CaMnO_3氧化物的自旋态密度曲线极值点均位于为-0.8 e V附近。Mg掺杂CaMnO_3氧化物中Mn原子对体系费米面态密度的贡献有所减小,O原子和Ca原子对体系费米面态密度的贡献有所增大。Mg原子比Ca原子具有更强的释放电子的能力,Mg掺杂对于CaMnO_3氧化物属于电子型掺杂。Mg掺杂CaMnO_3氧化物导电性能增强,电性能提高。

Ni位Li置换NiO材料的电子性质及电性质的研究

采用密度泛函理论计算方法研究了Ni位Li置换NiO材料的电子能带结构和状态密度,分析探讨了置换材料的电输运参数和电性质.结果表明,Li置换Ni位后NiO材料的带隙略有增大;费米能级附近的状态密度大大提高;费米能级附近的载流子浓度大大增加,但迁移率有所降低,定域性增强,有效质量也有所增大;电性质理论分析结果表明,Ni位Li置换能够增强NiO材料的导电性,提高NiO材料的综合电性质.

Na掺杂CaMnO3晶体材料的结构调控、电子结构与光吸收性质的研究

平面波和赝势法基础上研究了Ca位Na掺杂的钙钛矿型CaMnO3晶体材料的晶体结构、电子结构和光吸收性质,分析了Na掺杂CaMnO3晶体材料的电输运过程。结果表明,Na掺杂Ca位使CaMnO3的晶胞三轴长度均增大,Na掺杂在CaMnO3中引入了晶格畸变,且晶格畸变是各向异性的。Na掺杂之后,CaMnO3晶体材料内的O-Mn-O形成的八面体逐步向两个O顶点方向拉长和扭曲。未掺杂和Na掺杂CaMnO3带隙宽度分别为0.713eV和0.686eV,均呈现明显的半导体特性。在费米能级附近,s态电子对CaMnO3的态密度贡献最小,p态电子对费米能级以下的态密度贡献最大,d态电子对费米能级以上的态密度贡献最大。Mnp态电子对费米能下方能级形成贡献较大,而Mnd态电子对费米能上方能级形成贡献最大,Op态电子对费米能下方能级形成贡献较大,而Op态电子对费米能上方能级形成贡献最小。与未掺杂CaMnO3相比,Na掺杂CaMnO3晶体材料吸收能量向低能量移动,且存在两个强吸收峰,其在6.15eV附近的吸收最强。

Al轻掺杂对CaMnO3晶态材料结构与电迁移性质的影响研究

通过电子平面波函数密度泛函理论的计算分析方法系统研究了Ca位Al轻掺杂钙钛矿结构CaMnO3基晶态材料的晶体结构、电子结构和载流子迁移性质.结果表明,Al轻掺杂使得CaMnO3基晶态材料的晶格参数增大,在b轴方向上增大程度最高,在c轴方向上增大程度最小.Ca位Al轻掺杂之后,CaMnO3中的O-Mn-O八面体向2个O顶点方向拉长,八面体产生扭曲变形.Al轻掺杂前后的CaMnO3基晶态材料均为间接带隙半导体,其带隙宽度分别是0.713和0.695 eV,Al掺杂属于电子型掺杂.经过Al掺杂之后CaMnO3基晶态材料的导带有效质量大大提高.Al掺杂CaMnO3基晶态材料费米能以下,p状态态密度最高,s状态态密度最低;在费米能以上,d状态态密度最高,s状态态密度最低.Al掺杂大大提高了CaMnO3基晶态材料的载流子浓度.CaMnO3中O-Mn-O八面体中底平面上的O原子电子对载流子迁移过程的贡献大于顶点处的O原子电子贡献程度.

Ba置换对钙钛矿型氧化物CaMnO_3稳定性及电子结构的影响

采用赝势法近似密度泛函理论的方法研究了重元素Ba置换钙钛矿型氧化物CaMnO_3的稳定性及电子结构.结果表明,Ba置换引入晶格畸变,且具有各向异性.Ba置换钙钛矿型氧化物CaMnO_3呈现明显的半导体特性,且其稳定性降低.Ba置换Ca位之后,钙钛矿型氧化物CaMnO_3仍然呈间接带隙型能带结构,自旋向上和自旋向下的电子能带带隙宽度分别减小到0.659 eV和0.655 eV,且经过Ba置换之后向导体转变.Ba置换CaMnO_3晶体中的电子主要在-37.5 eV,-18 eV,-16 eV,-5 eV～0 eV,1 eV附近形成能带,能级数量在-18 eV,-16 eV,-0.7 eV三个极值点依次降低.Ba置换钙钛矿型氧化物CaMnO_3价带中和导带中的电子能级弥散性不同,表明它们具有不同的有效质量.Mn p,O p和Mn d电子对钙钛矿型氧化物CaMnO_3费米面态密度具有较大的贡献,它们决定CaMnO_3材料的导电过程.

反铁磁状态层状Co基复合氧化物Ca2Co2O5电子学性质的研究

基于密度泛函理论方法分析研究了一种低自旋反铁磁状态Co基层状复合氧化物Ca2Co2O5的电子学性质。结果表明,其能带中均包括5个子带,其中费米能级附近的能带中的能级数量较多,具有较宽的分布。向上自旋的电子形成半导体型能带,带宽为0.0112 eV,向下自旋的电子形成金属型能带。在费米能级附近,s、p、d电子对其态密度的贡献程度逐渐提高。CaCoO层对总态密度贡献较大,CoO层对总态密度贡献较小。Ca中电子主要在远离费米能的位置形成能带,Co中电子主要在费米能附近形成能带,O中电子主要在-19 eV和费米能形成能带,Co d电子和O p电子贡献这种反铁磁状态层状Co基复合氧化物Ca2Co2O5的电子学性质。

各向异性压力对ZnS晶体结构和电子性能的影响研究

基于电子平面波密度泛函理论的方法研究分析了闪锌矿结构ZnS在未受压力和沿a,b和c轴方向上受0.5GPa小压力条件下的晶体结构和电子性质。结果表明闪锌矿ZnS在0.5 GPa的不同方向小压力作用下,晶胞参数均发生增大,表现出较为明显的压力膨胀效应。压力对ZnS晶体结构的影响是各向异性的,其对ZnS晶体c轴方向的影响最大,压力作用下Zn-S键长也均增大。ZnS体系在0.5 GPa压力下稳定性增强,其在a轴受压力作用下能量最低。在a轴,b轴和c轴方向施加相同压力之后,ZnS的带隙宽度由2.059 eV分别减小到1.683 eV,1.681 eV和1.681 eV,但是其带隙类型未发生变化。ZnS材料体系中的p态电子对费米能级附近的贡献程度最高,而s态和d态电子对费米能级处的贡献程度均较低。

铁磁态Co基层状氧化物Ca2Co2O5电子状态的研究

采用平面波超软赝势法研究了低自旋状态Co基典型层状氧化物Ca_2Co_2O_5的电子结构。结果表明,层状Co基氧化物Ca_2Co_2O_5呈金属型能带结构,具有明显的各向异性,能带中含有5个子能带,其中费米能附近的能带数量较多,呈较宽的带状分布。自旋向上的电子形成半导体型能带,带隙宽度为0. 37 e V,自旋向下的电子形成金属型能带。系统内部的电子对态密度贡献程度依s,p,d依次增大。Ca的电子形成的态密度对费米能附近的值贡献非常小,Co的d态电子对两层态密度贡献较大,其对系统电性能起着重要作用,且系统Co-O之间存在着较强的相互作用。Ca-Co-O层中的各态电子对态密度的贡献大于Co-O层中的各态电子对态密度的贡献。

p型Na掺杂各向异性ZnO的电子性质与热电输运性质

采用密度泛函理论的第一性原理计算研究了p型Na掺杂各向异性ZnO的能带结构、光学性质、介电性质、总态密度和不同原子的分态密度,并系统分析了其热电输运性质。计算分析结果表明,p型Na掺杂ZnO为p型直接带隙半导体,其带隙增大到1.3eV,其对于光子的吸收限向低能量光子移动,体系费米能级附近的态密度大幅度提高,这主要是p态电子贡献的;在费米能级附近的导带和价带中都出现了新的能级,这些新的能级主要由Nas、Nap、Znp、Znd和Op电子形成,且他们之间存在着强耦合相互作用。Na掺杂ZnO的电输运性质具有各向异性;其价带和导带中的载流子有效质量均较大;载流子输运主要由Nas、Nap、Znp和Op电子完成。