牡丹江师范学院物理与电子工程学院, 牡丹江 157011
利用第一性原理, 研究了S空位(VS)和Tc掺杂单层MoS2的电子结构和磁学性质。结果表明, Tc掺杂的单层MoS2是一种具有铁磁性的n型半导体; 与Tc掺杂体系相比, VS的引入不会导致(TcVS)掺杂系统的总磁矩发生显著变化, 且磁矩主要由Tc原子所贡献; 在2Tc掺杂体系中, 通过形成能分析确定出最稳定构型; 2Tc掺杂体系的磁矩为2.048 μB, 主要由两个Tc 原子贡献。通过自旋电荷密度分析表明, (Tc-4d)-(S-3p)-(Mo-4d)-(S-3p)-(Tc-4d)耦合链的形成可能是2Tc掺杂体系发生铁磁耦合的原因。
Tc掺杂单层MoS2 第一性原理 电荷密度 电子结构 磁学性质 Tc-doped ML-MoS2 first-principle charge density electronic structure magnetic property
1 南京邮电大学理学院, 南京 210023
2 南京邮电大学材料科学与工程学院, 南京 210023
3 河南大学物理与电子学院, 开封 475004
利用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了不同层数MoS2和VS2堆垛形成的范德瓦耳斯异质结的电子结构和光学性能。通过从头算分子动力学验证了两种异质结在室温下的稳定性。此外, 两种异质结均显示p型肖特基接触, 但相较于单层MoS2构成的异质结, 在双层MoS2和VS2堆垛形成的异质结中, 势垒高度从0.36 eV显著降低到0.08 eV, 有效地形成了低接触电阻, 有助于降低载流子输运损失的能量。光吸收光谱的计算表明, 双层MoS2构成的异质结具有更高的吸收峰值。研究成果对基于MoS2的异质结设计以及在高性能光电器件方面的应用提供了理论依据。
密度泛函理论 电子结构 范德瓦耳斯异质结 肖特基势垒 光吸收 density functional theory MoS2 MoS2 electronic structure van der Waals heterojunction Schottky barrier light absorption
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
1 河北工业大学理学院, 天津 300401
2 北华航天工业学院电子与控制工程学院, 廊坊 065000
本文利用第一性原理计算并结合玻尔兹曼输运方程, 预测了一种热电性能优良的新型Bi2Te3基材料, 即单层BiSbTeSe2。通过系统计算单层BiSbTeSe2的电子能带结构和热电输运性质, 发现单层BiSbTeSe2在300 K时的塞贝克系数达到最高值(522 μV· K-1), 在500 K时功率因子与弛豫时间的比值最大为5.78 W· m-1·K-2·s-1。除此之外, 单层BiSbTeSe2还具有较低的晶格热导率和较高的迁移率。在最佳p型掺杂下, 单层BiSbTeSe2在500 K时的热电优值 ZT高达3.95。单层BiSbTeSe2的优良性能表明其在300~500 K的中温热电器件领域具有潜在的应用价值, 可以为进一步开发高性能Bi2Te3基热电材料提供设计依据。
第一性原理 Bi2Te3基材料 电子结构 热电输运 热电优值 层状材料 first-principle Bi2Te3-based material electronic structure thermoelectric transport thermoelectric figure of merit layered material
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 沈阳大学机械工程学院, 沈阳 110044
2 沈阳大学师范学院, 沈阳 110044
通过第一性原理计算研究了四种二维双层MoSSe/WSSe范德瓦耳斯异质结的光电性质。声子谱表明四种结构具有可靠的热力学稳定性。根据堆垛方式的不同, 双层MoSSe/WSSe异质结可以是间接或直接半导体。而且, 两种Janus型MoSSe/WSSe异质结具有1.22和1.88 eV的适中带隙、显著的可见光吸收系数、跨越了水氧化还原电位的带边位置。因此, Janus型的MoSSe/WSSe异质结构在光催化水分解领域具有一定的应用前景。
第一性原理计算 Janus二维异质结 光催化水分解 声子色散谱 电子结构 光吸收 first-principle calculation Janus two-dimensional heterostructure photocatalytic water splitting phonon dispersion spectrum electronic structure light absorption
1 南华大学 核科学技术学院衡阳 421001
2 南华大学 计算机学院衡阳 421001
3 中国科学院上海应用物理研究所上海 201800
基于密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT）研究了锕系元素铀（U）、钍（Th）、钚（Pu）在二维金属材料锑烯表面的吸附特性。采用线性响应法拟合得到描述铀、钚5f轨道电子强格点库仑作用的哈伯德U值分别为2.24 eV和2.84 eV。利用DFT+U计算发现，锑烯难以吸附钚原子（吸附能为负值），而对铀、钍原子具有较强的表面化学吸附以及丰富的稳定吸附位点。铀和钍原子能量上最稳定的吸附位点分别为桥位——孔位之间和孔位，吸附能分别为4.40 eV和3.62 eV。通过电子结构、电荷转移和最高占据态轨道波函数分析发现，铀、钍原子使锑烯的带隙中出现杂质态，并与锑烯之间通过强p-d轨道耦合使其稳定吸附。进一步计算了吸附率随温度的变化，得出铀和钍在锑烯表面的解吸温度分别达到837 K和660 K。结果预示锑烯是一种良好的铀、钍吸附材料，在海水提铀等领域具有潜在应用。
锑烯 锕系元素 密度泛函理论 线性响应 吸附 电子结构 Antimonene Actinides Density functional theory Linear response Adsorption Electronic structure
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 陕西科技大学材料原子·分子科学研究所，西安 710021
2 西安电子科技大学，宽禁带半导体材料教育部重点实验室，西安 710071
3 西北大学信息科学与技术学院，西安 710127
4 太原理工大学，新材料界面科学与工程教育部重点实验室，太原 030024
铟(In)原子替位位置对开发新型正交GaN的储氢材料具有重要意义。当前关于In原子替位位置对正交GaN材料的影响研究相对薄弱。本文基于第一性原理研究了不同In原子替位位置下InGaN材料的形成能、电子结构、弹性特性和力学稳定性。结果表明，通常情况下间隔三个原子的In原子替位位置的形成能最小且该体系最易形成。在相同的掺杂情况下，该结构的InGaN材料也具有较大的带隙宽度以及较小的弹性模量、体积模量、剪切模量与弹性模量，这意味着其抗压能力、抗剪切应力的能力较弱，韧性以及硬度较低。此外，声子谱计算结果表明，间隔三个原子的InGaN材料在环境压力下也具有良好的力学稳定性。本研究为正交GaN的新型储氢超材料的研究提供了理论依据。
正交GaN In掺杂 形成能 电子结构 弹性和弹性各向异性 第一性原理 密度泛函理论 储氢材料 orthorhombic GaN In doping formation energy electronic structure elastic and elastic anisotropy first-principle density functional theory hydrogen storage material
