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MXenes等离激元诱导热载流子产生与输运温度依变性

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物理学报 2024年第11期73卷 313-324页

作者：见超超马向超赵子涵张建奇西安电子科技大学光电工程学院西安710071

MXenes可以实现大规模合成且具有诸多优异光电特性,被用于构建各种结构和功能独特的热载流子光电探测器件.然而,变温环境条件下MXenes并不稳定,一方面环境温度升高会加速材料氧化降解,另一方面温度变化可能影响光电器件的寿命和性能稳定... 详细信息

MXenes可以实现大规模合成且具有诸多优异光电特性,被用于构建各种结构和功能独特的热载流子光电探测器件.然而,变温环境条件下MXenes并不稳定,一方面环境温度升高会加速材料氧化降解,另一方面温度变化可能影响光电器件的寿命和性能稳定性,目前MXenes温度不稳定性受到越来越多关注.鉴于实验研究变温条件下MXenes热载流子性质的局限,本文基于多体微扰理论和量子力学理论,研究环境温度对电子态分布和散射效应的影响.从表面等离激元非辐射衰减角度出发,采用第一性原理计算量化热载流子的产生效率、能量分布和输运,系统研究了MXenes表面等离激元诱导热载流子的环境温度依变特性.结果表明,MXenes中带间跃迁和声子协助电子跃迁共同高效率产生了高能热空穴主导的热载流子,且表现出与硼烯媲美的长寿命和输运距离.环境温度升高显著提高了红外波段的热载流子产生效率,同时可见光波段的热空穴表现出优异环境温度稳定性.此外,环境温度升高降低了热载流子的寿命和输运距离,主要源于增强的电子与光学声子散射效应.

关键词： MXenes 热载流子温度特性介电函数

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Au纳米球壳的光热特性分析与优化

激光与光电子学进展 2022年第7期59卷 309-315页

作者：热米莱·阿卜来提帕尔哈提江·吐尔孙郑玉霞马登攀程龙新疆师范大学物理与电子工程学院新疆乌鲁木齐830054 新疆矿物发光材料及其微结构重点实验室新疆乌鲁木齐830054

为了寻找单个Au纳米球壳在连续激光激发下的最大表面温度变化及对应的颗粒最优尺寸,利用Mie理论、介电函数尺寸修正模型和热方程定量研究了波长、内核半径和外壳厚度对单个Au纳米球壳光热特性的影响。首先,通过改变Au纳米球壳的内核半... 详细信息

为了寻找单个Au纳米球壳在连续激光激发下的最大表面温度变化及对应的颗粒最优尺寸,利用Mie理论、介电函数尺寸修正模型和热方程定量研究了波长、内核半径和外壳厚度对单个Au纳米球壳光热特性的影响。首先,通过改变Au纳米球壳的内核半径及外壳厚度调节共振峰的大小和位置,并得到所需的颗粒表面温度变化情况。然后,针对颗粒光热特性的应用,给出近红外波段内四个典型波长(800,808,820,1064 nm)下单位入射光强度的最大颗粒表面温度变化量γ_(max)及对应的颗粒最优尺寸。最后,给出了上述波长下单位入射光强度的颗粒表面温度变化量大于0.9γ_(max)的颗粒尺寸分布。该研究对光热治疗、等离子体辅助光催化以及颗粒制备等方面的研究具有重要意义。

关键词：散射 Mie理论 Au纳米球壳介电函数光热特性优化

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P掺杂6H-SiC的第一性原理研究

人工晶体学报 2022年第1期51卷 49-55,64页

作者：黄思丽谢泉张琴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

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波法,计算未掺杂与P替换Si、C以及P间隙掺杂6H-SiC的电子结构与光学性质。结果显示未掺杂的6H-SiC是带隙为2.052 eV的间接带隙半导体,P替换Si、C掺杂以及P间隙掺杂6H-SiC带隙均减小,分别为1.78... 详细信息

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波法,计算未掺杂与P替换Si、C以及P间隙掺杂6H-SiC的电子结构与光学性质。结果显示未掺杂的6H-SiC是带隙为2.052 eV的间接带隙半导体,P替换Si、C掺杂以及P间隙掺杂6H-SiC带隙均减小,分别为1.787 eV、1.446 eV和0.075 eV,其中P间隙掺杂带隙减小幅度最大。P替换掺杂6H-SiC使得费米能级向导带移动并插入导带中,呈n型半导体。P间隙掺杂价带中的一条能级跨入费米能级,因此在禁带中出现一条P 3p杂质能级,P间隙掺杂6H-SiC转为p型半导体。替换与间隙掺杂使得6H-SiC的介电函数实部增大,介电函数虚部、吸收光谱、反射光谱与光电导率红移,其中P间隙掺杂效果最佳。通过P掺杂材料的电导率增强,对红外波段的利用率明显提高,为6H-SiC在红外光电性能方面的应用提供有效的理论依据。

关键词：间隙掺杂 6H-SiC 带隙介电函数第一原理电子结构光学性质

双钙钛矿卤化物Cs_(2)AgFeX_(6)(X=Cl, Br, I)电子结构和光学性质的第一性原理研究

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原子与分子物理学报 2024年第1期41卷 145-153页

作者：郝久源张敏刘派李瑞祖宁宁齐齐哈尔大学理学院齐齐哈尔161000

近年来,银卤化物双钙钛矿作为铅基杂化卤化物钙钛矿的潜在环保替代品得到了广泛的研究.最近实验上合成的新型无铅双钙钛矿单晶材料Cs_(2)AgFeCl_(6)是一种立方结构半导体,吸收光谱可拓宽至800 nm.本论文采用密度泛函理论的第一性原理方... 详细信息

近年来,银卤化物双钙钛矿作为铅基杂化卤化物钙钛矿的潜在环保替代品得到了广泛的研究.最近实验上合成的新型无铅双钙钛矿单晶材料Cs_(2)AgFeCl_(6)是一种立方结构半导体,吸收光谱可拓宽至800 nm.本论文采用密度泛函理论的第一性原理方法,对Cs_(2)AgFeX_(6)(X=Cl, Br, I)的电子结构和光学性质进行研究,讨论了二者之间的内在关联,并分析了X位元素的改变对材料性质的影响.电荷密度计算结果显示,由Cl到I,Fe-X键逐渐减弱,即原子对电荷的束缚能力减弱.另一方面,三种材料的带隙宽度是逐渐减小的,Cs_(2)AgFeCl_(6)和Cs_(2)AgFeBr6带隙分别为1.40 eV和0.91 eV,而Cs_(2)AgFeI6则呈现金属性质. Cs_(2)AgFeX_(6)双钙钛矿的光谱特征峰随X位原子序数的增加明显红移,且在可见至红外光波段均有明显的光吸收:Cs_(2)AgFeCl_(6)在534 nm处的吸收系数达到21.28×10^(4)cm^(-1),Cs_(2)AgFeBr6在712 nm处的吸收系数为20.54×10^(4)cm^(-1),而Cs_(2)AgFeI6在1200 nm后的红外波段有一极宽的吸收峰,吸收系数可以达到10×10^(4)cm^(-1).本论文为Cs_(2)AgFeX_(6)(X=Cl, Br, I)在光电子器件领域的广泛应用提供了理论指导.

关键词：光学性质电子结构第一性原理双钙钛矿介电函数

双层钙钛矿氧化物Sr_(2)CrBO_(6)(B=Os,Re,W)电子结构和光学性质的第一性原理研究

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原子与分子物理学报 2022年第4期39卷 157-164页

作者：张琪张敏郝久源李瑞祖宁宁齐齐哈尔大学理学院齐齐哈尔161000

Sr_(2)CrBO_(6)(B=Os,Re,W)被证实是具有最高磁转变温度的双钙钛矿氧化物.论文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了Sr_(2)CrBO_(6)的电子结构和光学性质,并通过计算结果分析了二者之间的内在关系.总体来看,B位元素的改变对材... 详细信息

Sr_(2)CrBO_(6)(B=Os,Re,W)被证实是具有最高磁转变温度的双钙钛矿氧化物.论文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了Sr_(2)CrBO_(6)的电子结构和光学性质,并通过计算结果分析了二者之间的内在关系.总体来看,B位元素的改变对材料的电子结构和光学性质都产生了较大的影响.由能带结构的计算,Sr_(2)CrOsO_(6)为半导体,Sr_(2)CrReO_(6)和Sr_(2)CrWO_(6)为半金属.晶体介电函数虚部ε_(2)(ω)曲线在所考察的能量范围内存在明显的介电特征峰,论文结合态密度和能带结构讨论了这些介电峰所对应的电子跃迁过程.Sr_(2)CrOsO_(6)和Sr_(2)CrReO_(6)在可见光区域均有较强的吸收,其中,Sr_(2)CrReO_(6)在394 nm处的峰值吸收系数为38.54×10^(4)cm^(-1),Sr_(2)CrOsO_(6)在594 nm处的峰值吸收系数为29.11×10^(4)cm^(-1).根据反射率的计算,三种材料在可见光区域的反射率都小于0.3,反射损失较小.另外,Sr_(2)CrOsO_(6)和Sr_(2)CrReO_(6)虽然为单轴晶体,但其光学性质在所考察的能量范围内几乎是各向同性的.此研究为Sr_(2)CrBO_(6)(B=Os,Re,W)在光电子器件领域的应用提供了理论指导.

关键词：光学性质电子结构第一性原理双钙钛矿介电函数

元素(M=Fe,Mn)掺杂立方相BaTiO_(3)性能的第一性原理研究

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重庆理工大学学报（自然科学） 2023年第5期37卷 135-141页

作者：徐良玉龙敏黄福祥邓鸿元陈剑重庆理工大学材料科学与工程学院重庆400054

根据密度泛函理论框架下的第一性原理方法,计算了元素(M=Fe,Mn)掺杂立方相BaTiO_(3)(BaFe_(x)Ti_(1-x)O_(3)、BaMn_(x)Ti_(1-x)O_(3),x为0、1/8、1/4、3/8、1/2)的晶体结构、电子结构、磁矩、介电函数。计算结果表明:当x为1/8时,BaTiO_(3)的晶体结构仍然保持为立方相;当x大于1/8时,BaTiO_(3)的晶体结构转变为四方铁电相。掺杂元素Fe、Mn使BaTiO_(3)获得了较大的磁性,总磁矩主要来源于Fe、Mn离子局域磁矩的贡献。随着元素掺杂量的增大,BaTiO_(3)的磁性增强。对比掺杂前后静态介电常数发现,掺杂元素Fe、Mn使BaTiO_(3)静态介电常数改变较大,且远大于掺杂前,因此,Fe与Mn更容易使BaTiO_(3)获得高介电常数。

关键词： BaTiO_(3) 掺杂第一性原理介电函数磁性

UV-Vis波段GaN/MAPbX3复合结构光谱辐射特性研究

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UV-Vis波段GaN/MAPbX3复合结构光谱辐射特性研究

作者：成涛山东大学

学位级别：硕士

第三代宽禁带半导体GaN与卤化物钙钛矿半导体MAPbX3(X=I、Br、Cl)因各自优良的光学、吸收特性,引起了众多研究者对其结合效用的探索,如压电光学、光伏学、纳米结构激光二极管等。但以上尝试多着手于纯材料在常温下的结合,忽略了实际环... 详细信息

第三代宽禁带半导体GaN与卤化物钙钛矿半导体MAPbX3(X=I、Br、Cl)因各自优良的光学、吸收特性,引起了众多研究者对其结合效用的探索,如压电光学、光伏学、纳米结构激光二极管等。但以上尝试多着手于纯材料在常温下的结合,忽略了实际环境的复杂性对器件性能提出的挑战。研究电磁辐射特性对了解材料吸收性能,以及评估能量损耗有重要作用。因此考虑温度、掺杂以及角度等变量对复合结构电磁辐射特性的影响,对推广器件的实际应用具有重要意义。本文采用椭圆偏振实验测量及原子尺度第一性原理和计算电磁学等多尺度模拟,系统研究了 GaN与MAPbX3复合结构的介电函数及其光谱辐射性质。主要工作结论如下:借助椭圆偏振测量与第一性原理计算,较为系统的研究了 GaN晶体在超紫外-可见光(UV-Vis)波段的介电函数特性,包括吸收峰的起源、温度效应与掺杂效应。椭偏测量识别出介电函数中分别起源于激子效应与声子辅助间接吸收的两个吸收峰E0(exciton)、E0(CP)。借助考虑多体效应的model Bethe-Salpeter方程和声子辅助光学吸收第一性原理计算得到验证。随着温度升高,会发现吸收峰减弱与红移,这是由于声子散射电子作用增强,从而降低了电子跃迁。当用Fe、Si元素掺杂GaN,引入的载流子会调整其介电函数;此外,含掺杂的GaN晶体介电函数温变性要强于非掺杂GaN。构建了“钙钛矿MAPbX3-多孔GaN-GaN”复合结构,通过更改孔径d、入射角度、温度、掺杂等变量,借助时域有限差分法计算了 UV-Vis波段包括反射、电场、吸收能等电磁辐射性质。发现多孔GaN的孔径d对其辐射特性有重要影响,相比之下,小孔径d在增强场强、吸收能的基础上可保证分布的均匀度。比较MAPbI3与MAPbBr3复合结构的吸收能,发现前者在近紫外波段λ=350 nm的吸收能高于后者,而在可见光波段λ=600nm的吸收能低于后者,这是由两者的吸收特性(介电函数差异)所决定的;短波可见光在MAPbCl3结构下所激发电场的临界深度低于紫外光作用,这与其它两类钙钛矿材料相异。以MAPbI3所在复合结构为例,计算复杂条件下的辐射性能变化。大入射角度会降低吸收幅值,且引起可见光波段的吸收峰位移,方位角相位不影响复合结构吸收。高温会改变反射率分布规律,增强可见光的电场与吸收能。GaN掺杂元素对复合结构的辐射特性并无显著影响,但钙钛矿本身的掺杂则会引发较为强烈的变化,以Zn掺杂为例,具体表现为削弱作用。

关键词： GaN MAPbX3 电磁辐射特性介电函数第一性原理计算

第一性原理研究混合钙钛矿CH_3NH_3Pb_xSn_(1-x)I_3结构及光电特性

同方学位论文库评论

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同方学位论文库

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物理化学学报 2016年第6期32卷 1439-1445页

作者：鲁效庆赵兹罡李可魏淑贤瞿媛媛牛永强刘学锋中国石油大学(华东)理学院山东青岛266580

有机/无机钙钛矿是一类极具潜质的光电材料,目前已实现超过20%的光电转化效率。本文采用第一性原理对有机/无机混合钙钛矿CH_3NH_3Pb_xSn_(1-x)I_3(x=0-1)的结构及光电特性进行了理论研究。结果表明,范德华力(VDW)在优化钙钛矿结构中起... 详细信息

有机/无机钙钛矿是一类极具潜质的光电材料,目前已实现超过20%的光电转化效率。本文采用第一性原理对有机/无机混合钙钛矿CH_3NH_3Pb_xSn_(1-x)I_3(x=0-1)的结构及光电特性进行了理论研究。结果表明,范德华力(VDW)在优化钙钛矿结构中起着重要的作用,考虑范德华力可减小Pb/Sn―I键长,从而减小体系体积。通过分析甲胺离子CH_3NH_3^+的态密度和Bader电荷,我们发现其对前线轨道没有贡献,仅仅扮演电荷供体的角色。Pb/Sn与I之间同时存在共价键和离子键相互作用。价带顶(VBM)主要是由I 5p以及Pb 6s(Sn 5s)杂化组成,而导带底(CBM)主要由Pb 6p(Sn 5p)轨道组成。在可见光区,随着波长的增加,体系吸收强度呈现整体下降趋势;随着Sn/Pb比值逐渐增大,吸收强度呈现增大趋势。CH_3NH_3Sn I_3在可见光区表现出较佳的吸收光谱特性。

关键词：钙钛矿光电特性能带结构态密度介电函数第一性原理

Au（111）薄膜的光电响应和热载流子输运性质的理论研究

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Au（111）薄膜的光电响应和热载流子输运性质的理论研究

作者：张彩霞西安电子科技大学

学位级别：硕士

金属薄膜具有与块体材料不同的介电响应、表面等离极化激元(SPP)和较强的光吸收能力,使得它们在各种光电器件的设计和制造中成为首选材料。其中,厚度低至原子厚的贵金属薄膜具有优越的光吸收能力和导电特性,尤其是在它们和介质交界面处... 详细信息

金属薄膜具有与块体材料不同的介电响应、表面等离极化激元(SPP)和较强的光吸收能力,使得它们在各种光电器件的设计和制造中成为首选材料。其中,厚度低至原子厚的贵金属薄膜具有优越的光吸收能力和导电特性,尤其是在它们和介质交界面处激发的SPP可以更好地捕获光子并产生巨大的载流子,使其在提高太阳能电池的光电转换效率、设计近红外波段的光电探测器和基于SPP的传感器等方面表现出优异的性质。但贵金属薄膜的光电性质和热载流子性质以及这些性质如何依赖于原子层数还有待进一步探索。因此,本论文基于第一性原理计算系统地研究了贵金属Au(111)薄膜的光电响应、SPP、热载流子输运性质和电导率,以及它们对薄膜原子层数的依赖性。本论文主要的研究内容和结果如下:(1)明确地量化分析了带间电子直接跃迁、声子辅助的电子跃迁和Drude电阻损耗在特定入射光能量范围内对不同原子层数Au(111)薄膜的介电响应、SPP非辐射衰减的贡献,以及Au(111)薄膜与不同电介质界面处SPP的性质和光吸收能力对原子层数的依赖性。结果表明Au(111)薄膜的带间电子跃迁过程和光吸收能力优于块体Au。此外,增加原子层数可以明显优化Au(111)薄膜的带间电子跃迁过程和光吸收能力,而SPP的衰减、有限传播长度和约束程度在不同原子层Au(111)薄膜中情况不同。特别地,Au(111)薄膜/Si O界面处SPP的约束程度强于Au(111)薄膜/空气界面。这些结果在设计和制造光电器件时对金属薄膜及相应厚度的选择提供了理论指导。(2)预测了不同层数Au(111)薄膜中带间电子直接跃迁主导的热载流子的能量分布、电子和声子散射作用下的热载流子的传输特性。结果表明,Au(111)薄膜中高能热空穴的能量分布在给定的入射光能量范围内保持稳定,而产生效率随着原子层数增加显著增加。此外,Au(111)薄膜中高能热电子的传输特性优于高能热空穴,同时增加Au(111)薄膜的原子层数可以优化热载流子的传输特性。上述研究结果提供了在纳米级上表面等离激元非辐射衰减产生的热载流子传输和对其收集利用的见解。(3)研究了不同原子层数Au(111)薄膜的电导率随温度变化情况。通过传输加权Eliashberg谱函数计算了Au(111)薄膜的传输常数以及500 K温度内的电导率,结果表明Au(111)薄膜的电导率大于块体Au,且电导率与电子和声子的耦合强度成反比。此外,1层Au(111)薄膜相比于2～5层有更好的导电性能,该研究结果对于金属薄膜在太阳能电池和光电器件等领域中的应用提供了建议。

关键词： Au(111)薄膜光电响应 SPP 介电函数电子和声子相互作用热载流子电导率