沈阳建筑大学材料科学与工程学院，沈阳 110168
本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了不同浓度Nb掺杂ZnO的能带结构及性能，并对本征ZnO、Al掺杂ZnO(AZO)和Nb掺杂ZnO(NZO)的模拟结果进行对比分析。结果表明：(1)NZO和AZO的带隙值均低于本征ZnO的带隙值，掺杂浓度(原子数分数)同为6.25%的NZO的带隙值低于AZO的带隙值。随着Nb掺杂浓度增高，NZO的导带底明显降低，态密度峰值降低，且Nb-4d态电子占据了费米能级的主要量子态。(2)随着掺杂浓度的增加，NZO和AZO吸收峰和介电函数峰均降低，且向低能区移动，其中，NZO吸收峰向低能区移动更明显，且介电函数虚部分别在0.42 eV和34.29 eV出现新的峰，主要是价带中Nb-4d和Nb-5p电子能级跃迁所致。掺杂浓度同为6.25%的NZO的静介电常数大于AZO的静介电常数，表明NZO极化能力更强，NZO可以更有效改善ZnO的光电性能。随着Nb掺杂浓度增加，NZO的吸收系数和介电函数虚部强度增加且向高能区移动。NZO的模拟结果为高价态元素Nb掺杂ZnO的实验研究工作及实际应用提供了理论参考。
第一性原理 能带结构 掺杂 Nb掺杂ZnO 态密度 光学性质 first-principle energy band structure doping Nb doped ZnO density of state optical property
通过反应或热压烧结制备氮化硅器件过程中, 产生的晶格空位和杂质氧等缺陷会严重影响氮化硅材料的导热性能。为了探究空位和氧杂质对氮化硅材料导热性能的影响规律, 利用分子动力学模拟方法设计了多种不同缺陷状态的氮化硅模型, 分析了空位/氧杂质的比例、分布状态、晶格位置以及温度对氮化硅材料导热性能的影响。研究结果表明: 随着空位/氧杂质比例的增加以及温度的升高, 氮化硅体系的热导率都呈明显的下降趋势; 当空位/氧杂质由原本随机分布逐渐向导热通路中间聚集时, 氮化硅的热导率急剧降低; 空位/氧杂质所处不同晶格位置, 体系热导率有明显差异。另外, 通过计算氮化硅模型的声子态密度, 进一步验证了空位/氧杂质比例以及温度对体系导热性能的影响规律。研究结果为制备具有高导热性的氮化硅陶瓷提供了重要的指导。
高导热氮化硅 空位 杂质氧 温度 声子态密度 热导率 分子动力学模拟 high thermal conductivity silicon nitride vacancy impurity oxygen temperature phonon density of state thermal conductivity molecular dynamics simulation
1 河北金融学院信息工程与计算机学院，保定 071051
2 河北大学物理科学与技术学院，保定 071002
晶体硅表面钝化是高效率晶体硅太阳能电池的核心技术，直接影响晶体硅器件的性能。本文采用第一性原理方法研究了一种超强酸-双三氟甲基磺酰亚胺(TFSI)钝化晶体硅(001)表面。研究发现，TFSI的四氧原子结构能够与Si(001)表面Si原子有效成键，吸附能达到-5.124 eV。电子局域函数研究表明，TFSI的O原子与晶体硅表面的Si的成键类型为金属键。由态密度和电荷差分密度分析可知，Si表面原子的电子向TFSI转移，从而有效降低了Si表面的电子复合中心，有利于提高晶体硅的少子寿命。Bader电荷显示，伴随着TFSI钝化晶体硅表面的Si原子，表面Si原子电荷电量减少，而TFSI中的O原子和S原子电荷电量相应增加，进一步证明了TFSI钝化Si表面后的电子转移。该工作为第一性原理方法预测有机强酸钝化晶体硅表面的钝化效果提供了数据支撑。
单晶硅 表面缺陷 钝化 有机强酸 第一性原理 态密度 single crystal silicon surface defect passivation TFSI TFSI organic acid first principle density of state
本文采用密度泛函理论中的赝势平面波法计算了ReB2的P63/mmc晶体结构(即hP6-ReB2)的结构特性及弹性性质。在计算了hP6-ReB2的平衡结构参数后, 从热力学、动力学及机械力学三方面验证了其结构稳定性。研究发现, hP6-ReB2在高压下的弹性系数、各个弹性模量均随压强的增加而增大。泊松比显示hP6-ReB2表现为脆性。三种类型的弹性波随压强的变化趋势显示hP6-ReB2为弹性各向异性晶体。经估算, hP6-ReB2结构的维氏硬度约为38.2 GPa。电子态密度揭示了hP6-ReB2的Re-B和B-B之间存在着强共价键, 并且随着压强的增加共价键逐渐增强。
高硬度材料 高压 结构特性 弹性性质 硬度 态密度 high hardness material ReB2 ReB2 high pressure structural characteristic elastic property hardness density of state
1 江西理工大学信息工程学院, 赣州 341000
2 江西理工大学电气工程与自动化学院, 赣州 341000
材料的禁带宽度是影响光电探测器探测范围的重要因素。单层2H-MoTe2因具有合适的禁带宽度引起了科研人员广泛的研究兴趣。本文基于非平衡态格林函数-密度泛函理论, 采用第一性原理方法, 研究了单层2H-MoTe2的光电效应。结果表明: 在线性偏振光照射下, MoTe2产生的光电流函数与唯象理论相吻合; 在光子能量范围1.6~1.8 eV (690~770 nm), 对应于红光, 能产生较大的光电流。利用能带结构和态密度分析了产生较大光电流的原因主要来自第一布里渊区S点的电子受激跃迁。同时发现在锯齿型方向偏压为0.8 V时, 光电流达到峰值; 然而在扶手椅型方向偏压为0.4 V时, 光电流就达到峰值。这些计算结果可用于指导基于MoTe2光电探测器的设计, 尤其是红外光电探测器的设计。
光电探测器 单层2H-MoTe2 光电效应 能带结构 态密度 第一性原理 photodetector monolayer 2H-MoTe2 photogalvanic effect band structure density of state first-principle
贵州大学大数据与信息工程学院，新型光电子材料与技术研究所，贵阳 550025
采用第一性原理计算方法，对本征Mn4Si7以及P和As掺杂的Mn4Si7的电子结构和光学性质进行计算解析。计算结果表明本征Mn4Si7是带隙值为0.810 eV的间接带隙半导体材料，P掺杂Mn4Si7的带隙值增大为0.839 eV，As掺杂Mn4Si7的带隙值减小为0.752 eV。掺杂使得Mn4Si7的能带结构和态密度向低能方向移动，同时使得介电函数的实数部分在低能区明显增大，虚数部分几乎全部区域增加且8 eV以后趋向于零。此外掺杂还增加了高能区的消光系数、吸收系数、反射系数以及光电导率，明显改善了Mn4Si7的光学性质。
第一性原理 掺杂 能带结构 态密度 光学性质 first-principle Mn4Si7 Mn4Si7 doping band structure density of state optical property
ZnO/GaN异质结带隙宽度较宽, 制约了对可见光的吸收。为研究 Ag对ZnO/GaN异质结可见光吸收的影响, 在 (1-100)非极性面上构建 GaN/ZnO异质结, 并用 Ag分别取代不同位置的 Zn和Ga原子, 采用第一性原理计算 Ag掺杂对ZnO/GaN异质结稳定性、电子结构、光学性质和带边位置的影响。研究结果表明：Ag掺杂ZnO/GaN异质结形成能为负值, 结构稳定; Ag置换Zn和Ga使带隙宽度由2.93 eV分别减小至 2.7 eV和2.3 eV, 吸收系数和光电导产生红移, 有利于可见光的吸收, Ag掺杂ZnO/GaN异质结具有良好的光催化活性。
ZnO/GaN异质结 结构稳定性 可见光吸收 第一性原理 态密度 ZnO/GaN heterostructure structural stability visible light absorption first principle Density Of State(DOS) Ag doping 太赫兹科学与电子信息学报
2020, 18(4): 744
贵州师范大学物理与电子科学学院, 贵阳 550001
采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对α2-Ti3Al(0001)表面的电子结构进行计算。结果表明: (1)α2-Ti3Al(0001)表面的表面能为2.03 J/m2, 表面功函数为4.265 eV; (2)表面的总态密度在费米能级处达到极大值, 系统呈现金属性, 与块体的半金属差异明显, Ti-s、Ti-p和Al-s轨道受层数的影响较小, 而Ti-d和Al-p轨道受层数的影响较大, 均在费米能级处出现极大值; (3)能带结构未呈现块体的节线环, 而是在费米能级附近以下的Γ点, 出现一个类电子型的三带交叉点, 在费米能级以上的Γ点, 出现一个类空穴型的两带交叉点。
拓扑半金属 电子结构 第一性原理 能带结构 态密度 topological semimetal α2-Ti3Al(0001) α2-Ti3Al(0001) electronic structure first principle band structure density of state
山东科技大学机械电子工程学院, 青岛 266590
基于第一性原理方法, 建立WC-Co/cBN4B、WC-Co/cBN4N、WC-Co/cBN1B-near OA、WC-Co/cBN1N-near OA、WC-Co/cBN1N-near OB和WC-Co/cBN1B-near OB 六种界面模型, 计算其界面粘附功、断裂韧性。结果表明: WC-Co/cBN4B界面具有最大粘附功值9.705 J?m-2, 界面最稳定, 粘附功大于WC(0001)w界面的断裂 韧性7.824 J?m-2, 裂纹倾向于出现在基体中; WC-Co/cBN4N界面有最小粘附功4.470 J?m-2, 界面最不稳定, 粘附功小于WC(0001)w界面的断裂韧性, 裂纹倾 向于出现在界面处。在此基础上, 为从电荷转移、成键方式和价电子分布的深层次角度解释界面稳定性, 进行了差分电荷密度、态密度和Mulliken布居分析, 结果表明: WC-Co/cBN4B模型中, 界面处Co、B原子之间存在电荷转移, 由Co-d、B-p轨道杂化成强Co-B共价键; WC-Co/cBN4N模型中, 界面处Co、N原子之间亦 存在电荷转移, 由Co-d、N-p轨道杂化成弱Co-N共价键。两种模型的界面处, Co-B共价键的布居数更大且键长更小、键能更大, Co-B共价键的作用强于Co-N共 价键作用, 因此, WC-Co/cBN4B界面结合性能更好, 界面更稳定。
WC-Co/cBN界面 粘附功 差分电荷密度 态密度 Mulliken布居 WC-Co/cBN interface adhesion work charge density difference density of state Mulliken population
1 泉州医学高等专科学校，泉州 362000
2 福建医科大学附属第二医院，泉州 362000
3 中国科学院上海应用物理研究所，上海 201800
二氧化钒(VO2)是一种热至变色材料，在临界温度340 K有金属-半导体相变。第一性原理计算结果发现：C、N、F元素以1.56%、3.13%、4.69%的原子浓 度掺杂M1相VO2的带隙Eg1降低到0.349~0.612 eV，其中氮元素以4.69%的浓度掺杂VO2的带隙Eg1最小(0.349 eV)。在C、N、F掺杂M1相VO2体系中，3.13%的N掺 杂可以有效降低相变温度，并且对可见光透过率影响不大，所以3.13%的N原子掺杂VO2可以在实际中应用。
第一性原理 二氧化钒 态密度 first-principle VO2 density of state
