采用水热法和热处理技术制备了不同掺杂比例的Zn1-xCuxAl2O4(x=0,0.05,0.10,0.15,0.20)纳米颗粒, 通过X射线衍射(XRD)、场发射透射电子显微镜(FETEM)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、光致发光光谱(PL)和紫外可见光谱(UV-Vis)对样品的晶体结构、形貌、元素分布、结合能和光学性能进行表征, 并通过第一性原理计算得到了ZnAl2O4结构中存在的各种缺陷的能带结构。实验结果表明本方法制备的Zn1-xCuxAl2O4纳米颗粒为尖晶石结构, XPS能谱说明Zn0.9Cu0.10Al2O4样品中Cu2+全部占据了四面体位置, PL光谱显示Cu2+掺杂的样品出现了猝灭现象, 紫外光谱表明Cu2+掺杂后样品出现了新的吸收峰。并结合第一性原理计算对样品的光学性质给出了合理解释。

采用密度泛函理论(DFT)第一性原理方法研究了La/N共掺对二维钙钛矿Ba5Nb4O15的电子结构、光吸收系数和迁移率的调制作用。计算结果表明, 在所选择的掺杂浓度下, La/N共掺使其带隙减小了1.46eV, 且仍保持直接带隙, 价带顶和导带底都在Γ点。同时, 由于掺杂后引入杂质能级使带隙减小, 吸收光谱出现明显的红移, 可见光区域的光吸收系数显著增大, 可有效提高对太阳光的利用率。另外, 掺杂后电子和空穴的有效质量显著减小, 迁移率提高3~5倍, 进一步增强了材料的光电与光催化性能。

基于密度泛函理论, 采用第一性原理的方法计算H修饰边缘不同宽度硼稀纳米带的电荷密度、电子能带结构、总态密度和分波态密度。结果表明, 硼烯纳米带的宽度大小影响着材料的导电性能, 宽度5的硼烯纳米带是间接带隙简并半导体, 带隙值为0.674 eV, 而宽度7的硼烯纳米带却具有金属材料的性质。分波态密度表明, 宽度5的硼烯纳米带的费米能级附近主要是由B-2s、2p电子态贡献, H-1s主要贡献于下价带且具有局域性, 消除了材料边缘的不稳定性。宽度7的B-2p和H-1s电子态贡献的导带和价带处于主导地位, 费米能级附近B-2p和H-1s电子态的杂化效应影响材料的整体发光性能。

基于密度泛函理论, 采用第一性原理方法, 计算了氧化石墨烯纳米带的电荷密度、能带结构和分波态密度。结果表明, 石墨烯纳米带被氧化后, 转变为间接带隙半导体, 带隙值为0.375 eV。电荷差分密度表明, 从C原子和H原子到O原子之间有电荷的转移。分波态密度显示, 在导带和价带中C-2s、2p, O-2p, H-1s电子态之间存在强烈的杂化效应。在费米能级附近, O-2p态电子局域效应的贡献明显, 对于改善氧化石墨烯纳米带的半导体发光效应起到了主要作用。

采用从头计算平面波赝势法和耦合微扰方法计算了三硼酸锂(LiB3O5,LBO)晶体的电子能带结构、线性光学系数和非线性光学系数。折射率和倍频系数的计算结果与实验结果基本符合。能带和电子态密度计算表明,LBO晶体中B原子的2p轨道电子态和O原子的2p轨道电子态发生了明显杂化,而价带顶和导带底的电子态杂化是其非线性光学效应的主要来源。

使用基于从头计算平面波赝势法的CASTEP量化软件计算了铌酸锂(LiNbO3)晶体的电子能带结构和线性光学系数,采用耦合微扰方法(CPHF)计算了铌酸锂晶体的非线性光学系数。折射率和倍频系数的计算结果与实验结果基本符合,计算表明铌酸锂晶体中Nb原子的4d轨道电子态和O原子的2p轨道电子态发生了明显杂化。通过分析铌酸锂晶体的价带顶和导带底电子态密度的组成特点可知这些轨道电子态的杂化是其非线性光学效应的主要来源,同时计算还表明铌酸锂晶体中Li－O键具有明显的共价键性。