甲脒（FA）基钙钛矿比甲胺（MA）基钙钛矿具有更高的内在稳定性，而无机Cs离子掺杂可以进一步提高钙钛矿的湿度、热和结构稳定性。通过一步反溶剂法制备了Cs掺杂的FA1-xCsxPbBr3（x=0，0.05，0.10，0.15）钙钛矿薄膜，采用椭圆偏振光谱研究了材料的复介电函数并以此进行外量子效率（EQE）模拟。EQE模拟结果显示掺杂比例为0.05时，钙钛矿薄膜具有最高的功率转换效率（PCE），可达23.47%。进一步对FA0.95Cs0.05PbBr3进行变温椭偏分析，发现：随着温度升高，材料带隙增大，在393 K左右，从变温复介电函数的二阶导谱中可观察到相变现象，钙钛矿材料由正交相转变为四方相。对基于FA0.95Cs0.05PbBr3的太阳能电池进行变温EQE模拟，结果表明：温度对器件的最高PCE影响不大，其效率可以稳定在23.47%左右，但是高温会导致器件近红外区的外量子效率降低，器件的整体响应带宽减小。
薄膜 Cs掺杂钙钛矿 光学性质 变温椭圆偏振光谱 外量子效率模拟 光学学报
2023, 43(23): 2331004
1 伊犁师范大学物理科学与技术学院,伊宁 835000
2 伊犁师范大学新疆凝聚态相变与微结构实验室,伊宁 835000
3 新疆大学化工学院, 乌鲁木齐 830017
4 石油天然气精细化工教育部暨自治区重点实验室,乌鲁木齐 830017
晶体材料的微观结构对于宏观性能有着决定性的作用, 探究材料电子结构与光学性质之间的关系是合成新型材料研究的基础方向之一。本文基于密度泛函理论的第一性原理, 系统地对X(PO3)2(X=Zn, Cd, Hg), 这三例阳离子含d10电子构型元素的三元磷酸盐晶体的电子结构与光学性质进行了研究。Zn(PO3)2、Cd(PO3)2和Hg(PO3)2三种材料的带隙宽度依次减小, 分别为5.089、4.065和 2.942 eV。通过分析禁带附近的能带轨道归属, 可知X(PO3)2的价带顶部由P原子、O原子以及阳离子的d轨道所占据, 而导带底部则主要由P原子、O原子以及阳离子的s、p轨道所占据, 此外P和相邻O原子的电荷密度分布图有明显重叠, 证明P-O键具有较强的共价性。X(PO3)2的静态介电常数分别为3.13、2.76、3.24。计算可知在1 064 nm处Zn(PO3)2的双折射率为0.032, Cd(PO3)2的双折射率为0.025, Hg(PO3)2的双折射率为0.024, 且通过分别计算化合物以及阴离子基团的双折射大小, 分析出材料的双折射是P-O基团和阳离子协同作用的结果。同时对材料进行布居分析, 计算元素得失电子的情况, 再次验证了P-O基团相对于Zn-O、Cd-O、Hg-O具有较强的共价性。
磷酸盐晶体 第一性原理 密度泛函理论 电子结构 光学性质 phosphate crystal first-principle density functional theory electronic structure optical property
北京石油化工学院新材料与化工学院, 北京 102617
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-Ga2O3(即(AlxGa1-x)2O3)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-Ga2O3和不同Al掺杂浓度的β-Ga2O3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, (AlxGa1-x)2O3的晶格常数和键长均单调减小, 而带隙逐渐增大。β-Ga2O3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(AlxGa1-x)2O3光电器件的设计提供思路和理论指导。
第一性原理 掺杂 Al掺杂β-Ga2O3 能带结构 电子结构 光学性质 first-principle doping Al-doped β-Ga2O3 band structure electronic structure optical property
1 吉林师范大学 物理学院，吉林 四平 136000
2 吉林师范大学 功能材料物理与化学教育部重点实验室，吉林 长春 130022
SiO2通常以三维晶体或无定形结构存在，限制了其在新技术如新一代集成电路中的应用，因此二维SiO2的研究引起了越来越多的关注。本文通过删除三维层状CaAl2Si2O8结构中的Ca和Al原子，直接构建出新的二维SiO2构型。采用基于密度泛函理论的第一性原理计算，结构优化获得的新型2D SiO2具有P-62m对称性，群号189。通过结合能、弹性系数、分子动力学模拟和声子谱计算，发现新型2D SiO2具有高机械稳定性、热力学稳定性和动力学稳定性。电子性质和光学性质计算发现，2D SiO2是带隙为6.08 eV绝缘体，且具有良好的光透射率和光导率。此外，通过研究面内双轴应变对2D SiO2电子和光学性质的影响，发现2D SiO2的带隙和介电函数受面内拉伸应变的影响较压缩应变略大，不过其整体光学性质受应变影响不大，保证了其在实际应用中电子性质和光学性质的稳定性。
二维SiO2 电子性质 光学性质 第一性原理计算 two-dimensional SiO2 electronic properties optical properties first-principles calculations
南京大学电子科学与工程学院, 江苏省光电功能材料重点实验室, 南京 210023
本文通过添加InGaN垫层, 利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法在GaN(0001)上外延生长了InN薄膜, 研究了InN薄膜的外延规律及光学性质。研究发现, 相对于GaN表面, 在InGaN垫层上可以获得更高质量的InN。通过在InGaN垫层中采用适当的In组分(在本工作中为In0.23Ga0.77N), 可以完全抑制InN生长过程中铟滴的形成, 获得的InN表面形貌连续平整。采用光学显微镜、高分辨率X射线衍射(HR-XRD)、透射电子显微镜(TEM)、光吸收和室温光致发光等方法研究了InN的晶体结构和光学性质。HR-XRD的ω和ω-2θ扫描显示, InGaN垫层消除了In滴的衍射信号, 并且ω扫描给出了150 nm的InN薄膜的(0002)半峰全宽为0.23°。TEM选区电子衍射发现, InN几乎是无应变的。室温下InN薄膜的光吸收和强光致发光结果表明, 所制备的InN薄膜能带隙约为0.74 eV。本文还初步研究了InN的异常激发依赖性的光致发光行为, 证明了InN材料的表面效应对辐射复合的强烈作用。
外延生长 应变 表面缺陷 光学性质 光致发光 InN InN MOCVD MOCVD epitaxial growth strain surface defect optical property photoluminescence
1 滇西科技师范学院数理学院，临沧 677000
2 西南大学材料与能源学院，重庆 400715
本文基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法计算了z-BC2N和z-B2CN的4种晶体结构的电子结构、硬度和光学性质。结果表明，z-BC2N(2)为直接带隙半导体，其禁带宽度2.449 eV，z-BC2N(1)为间接宽带隙半导体，其禁带宽度为3.381 eV，而z-B2CN(1)和z-B2CN(2)为导体；硬度结果显示z-BC2N(1)、z-BC2N(2)和z-B2CN(1)为超硬材料。最后通过计算z-BC2N基本光学函数与光子能量的关系表征了其光学性质。分析结果表明，z-BC2N结构可以用作良好的耐磨材料和窗口耐热材料。
超硬材料 电子结构 硬度 光学性质 第一性原理 superhard material electronic structure hardness optical property first-principle
1 成都师范学院物理与工程技术学院，成都 611130
2 西华师范大学物理与空间科学学院，南充 637002
3 成都信息工程大学光电工程学院，成都 610225
4 四川大学水利水电学院，成都 610065
基于第一性原理的方法研究了本征α-Bi2O3、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-Bi2O3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（VO）掺杂和La-VO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-VO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-VO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-VO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-VO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-VO共掺杂有效改善了α-Bi2O3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。
光催化材料 La-VO共掺杂 氧空位 电子结构 光学性质 第一性原理 α-Bi2O3 α-Bi2O3 photocatalytic material La-VO co-doping oxygen vacancy electronic structure optical property first-principle
1 贵州民族大学化学工程学院，贵阳550025
2 贵州民族大学新能源与纳米材料重点实验室，贵阳550025
3 贵州民族大学材料科学与工程学院，贵阳550025
采用第一性原理方法研究应变对Mo2C(001)表面电子结构及光学性质的影响。研究表明，在应变作用下Mo2C(001)表面均为间接带隙半导体，带隙随着压应变和拉应变的增加而减小。当应变为-20%时，Mo2C(001)表面由间接带隙半导体转变为金属性质。当应变为-20%、-15%、-10%、-5%、0%、5%、10%、15%、20%时，其带隙分别为0 eV、0.162 eV、0.376 eV、0.574 eV、0.696 eV、0.708 eV、0.604 eV、0.437 eV、0.309 eV。带隙变化的原因主要是Mo 4p、4d、5s态电子和C 3p态电子对应变敏感，在应变作用下受激发，活性增强导致价带顶在布里渊区G、A、L、M点之间变化，导带底在K、H点之间变化；当应变由-15%逐渐变化到20%时，吸收谱的第一峰逐渐减弱，并且第一峰对应的光电子能量减小，吸收带边向低能方向移动，表明光吸收随着压应变增大而增加，吸收带边随着拉应变增加向低能方向移动。其他光学性质表现出类似的变化规律，光学性质计算结果表明应变能够有效调节光吸收特性，增强光学利用率，研究结果为Mo2C(001)作为新型光电子材料的应用提供理论支撑。
应变 (001)表面 电子结构 光学性质 第一性原理 Mo2C Mo2C strain (001) surface electronic structure optical property firstprinciple
