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《伊犁师范学院》 2017年
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稀土掺杂黑磷的第一性原理计算

张航  
【摘要】:本文采用第一性原理计算方法,主要计算了纯黑磷、N单掺杂黑磷、稀土元素(Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb)单掺杂黑磷以及分别与N共掺杂黑磷的能带结构、态密度和光学性质,计算分析的结果如下:首先计算分析了纯黑磷的能带结构、态密度和光学性质,计算得到纯黑磷的禁带宽度为0.967e V,且导带主要由P的3p态贡献,而价带主要由P的3p态和3s态贡献。光学性质方面,纯黑磷的介电实部ε2,静介电常数值为6.55;介电虚部ε2主要有两个明显的峰,分别出现在3.45e V和5.69eV;吸收峰在能量为6.55eV处达到最大峰级2.44×105 cm-1;反射谱的主峰在7.4e V处,能量损失峰在12.9eV附近。然后计算分析了N单掺杂黑磷的能带结构、态密度和光学性质,掺杂后的禁带宽度要略小于纯黑磷的禁带宽度。N单掺杂黑磷后,N与周围的P相互作用,导带和价带的能级数目也明显增多。光学性质方面,N单掺杂黑磷的静介电常数要小于纯黑磷的静介电常数,导电性增强;比较N单掺杂黑磷和纯黑磷的介电虚部峰、吸收谱主峰、反射谱主峰和折射谱主峰的位置变化,发现主峰位置都向低能方向移动,发生了红移现象。最后计算分析了稀土元素单掺杂以及分别与N共掺杂黑磷的能带结构、态密度和光学性质,从能带结构可以看出,掺杂后的禁带宽度要小于纯黑磷的禁带宽度,除Ce与N共掺杂和Yb单掺杂,Ce与N共掺杂黑磷的导带和价带重合呈现出了金属性,而Yb单掺杂黑磷的禁带宽度要稍微大于纯黑磷的禁带宽度。导带和价带的能级数目也明显增多,这是稀土元素单掺杂和与N共掺杂黑磷后,稀土元素与周围的P相互作用。从态密度图可以发现,从Ce往后的元素掺杂,则是由4f态贡献较多,而Sc、Y、La单掺杂和共掺杂的态密度峰主要由3d、4d、5d态贡献,这是由于从Ce元素开始的元素拥有4f态电子。从光学性质图看出,纯黑磷、稀土元素单掺杂黑磷和稀土元素与N共掺杂黑磷的介电虚部图、吸收谱图、反射谱图和能量损耗图,发现在低能部分差别较大,当能量大于12.5eV后,变化趋势趋于一致;比较介电虚部峰、吸收谱主峰、反射谱主峰和折射谱主峰的位置变化,发现主峰位置都向低能方向移动,因此可以判断单掺杂和共掺杂后发生了红移现象。
【关键词】:第一性原理 黑磷 稀土元素 电子结构 光学性质
【学位授予单位】:伊犁师范学院
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O469
【目录】:
  • 摘要4-5
  • Abstract5-9
  • 第一章 绪论9-11
  • 1.1 引言9
  • 1.2 黑磷材料的简介9
  • 1.3 黑磷材料的研究9-10
  • 1.4 本文的研究意义和主要内容10-11
  • 第二章 理论研究方法和CASTEP软件简介11-14
  • 2.1 第一性原理简介11
  • 2.2 Born-Oppenheimer近似/绝热近似11
  • 2.3 密度泛函理论11-13
  • 2.3.1 Hohenberg-Kohn定理11
  • 2.3.2 Kohn-Sham方程11-13
  • 2.4 CASTEP模块简介13
  • 2.5 小结13-14
  • 第三章 纯黑磷和N单掺杂黑磷的第一性原理计算14-19
  • 3.1 搭建模型与计算方法14
  • 3.2 结果与讨论14-17
  • 3.2.1 纯黑磷的电子结构14-15
  • 3.2.2 纯黑磷的光学性质15-16
  • 3.2.3 N单掺杂黑磷的电子结构16
  • 3.2.4 N单掺杂黑磷的光学性质16-17
  • 3.3 本章小结17-19
  • 第四章 稀土元素单掺杂、共掺杂黑磷的第一性原理计算19-59
  • 4.1 引言19
  • 4.2 搭建模型与计算方法19
  • 4.3 Sc掺杂黑磷19-22
  • 4.3.1 掺杂后的电子结构19-21
  • 4.3.2 掺杂后的光学性质21-22
  • 4.4 Y掺杂黑磷22-25
  • 4.4.1 掺杂后的电子结构22-23
  • 4.4.2 掺杂后的光学性质23-25
  • 4.5 La掺杂黑磷25-27
  • 4.5.1 掺杂后的电子结构25-26
  • 4.5.2 掺杂后的光学性质26-27
  • 4.6 Ce掺杂黑磷27-30
  • 4.6.1 掺杂后的电子结构27-28
  • 4.6.2 掺杂后的光学性质28-30
  • 4.7 Pr掺杂黑磷30-32
  • 4.7.1 掺杂后的电子结构30-31
  • 4.7.2 掺杂后的光学性质31-32
  • 4.8 Nd掺杂黑磷32-35
  • 4.8.1 掺杂后的电子结构32-33
  • 4.8.2 掺杂后的光学性质33-35
  • 4.9 Sm掺杂黑磷35-37
  • 4.9.1 掺杂后的电子结构35-36
  • 4.9.2 掺杂后的光学性质36-37
  • 4.10 Eu掺杂黑磷37-40
  • 4.10.1 掺杂后的电子结构37-38
  • 4.10.2 掺杂后的光学性质38-40
  • 4.11 Gd掺杂黑磷40-42
  • 4.11.1 掺杂后的电子结构40-41
  • 4.11.2 掺杂后的光学性质41-42
  • 4.12 Tb掺杂黑磷42-45
  • 4.12.1 掺杂后的电子结构42-43
  • 4.12.2 掺杂后的光学性质43-45
  • 4.13 Dy掺杂黑磷45-48
  • 4.13.1 掺杂后的电子结构45-46
  • 4.13.2 掺杂后的光学性质46-48
  • 4.14 Ho掺杂黑磷48-50
  • 4.14.1 掺杂后的电子结构48-49
  • 4.14.2 掺杂后的光学性质49-50
  • 4.15 Er掺杂黑磷50-53
  • 4.15.1 掺杂后的电子结构50-51
  • 4.15.2 掺杂后的光学性质51-53
  • 4.16 Tm掺杂黑磷53-55
  • 4.16.1 掺杂后的电子结构53-54
  • 4.16.2 掺杂后的光学性质54-55
  • 4.17 Yb掺杂黑磷55-58
  • 4.17.1 掺杂后的电子结构55-56
  • 4.17.2 掺杂后的光学性质56-58
  • 4.18 本章小结58-59
  • 第五章 总结59-61
  • 5.1 结论59-60
  • 5.2 工作展望60-61
  • 参考文献61-64
  • 致谢64-65
  • 作者简介65-66
  • 附件66

【参考文献】
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