B掺杂对硅烯光电性质调控的计算模拟

题目：B掺杂对硅烯光电性质调控的计算模拟目录中文摘要……………………….1英文摘要……………………….21.绪论 31.1引言 31.2硅烯及其应用 31.3本论文工作的主要内容和意义 62.计算理论依据与方法 72.1密度泛函理论与局域密度近似 72.1.1密度泛函理论density-functionaltheory(DFT) 72.1.2局域密度近似local-densityapproximation(LDA) 82.2薛定谔方程及平面波展开 92.2.1薛定谔方程Schrödingerequation 92.2.2平面波展开 92.3光学性质的计算 112.4vasp计算过程 123.计算与结果分析 133.1计算方法及模型 133.2纯硅烯的电子性质和光学性质 143.2.1电子性质 143.2.2光学性质 153.3B掺杂对硅烯的电子性质和光学性质的影响 163.3.1电子性质 163.3.2介电函数 173.3.3折射率和反射率 193.3.4吸收系数 203.3.5电子能量损失谱(EELS) 214.总结与展望 22参考文献23致谢24⑵B掺杂浓度不同对硅烯光学性质的影响；并且我们将重点探讨B掺杂浓度不同对硅烯光学性质的影响，其中包括介电函数、折射率、反射率、吸收系数以及电子能量损失谱。3.3.1电子性质为了充分利用硅烯优良的电子性能，如何打开其带隙的问题得到了广泛的关注。我们通过掺杂B原子，在不同的掺杂浓度情况下，都观察到了带隙开口，其结果如图3-5和表3-1所示。系统B掺杂浓度为3.125%B掺杂浓度为6.25%B掺杂浓度为9.375%B掺杂浓度为12.5%带隙(eV)0.027870.054590.091710.10996表3-1.不同掺杂浓度下，B掺杂硅烯的能带间隙图3-5(a)、(b)、(c)、(d)分别是是掺杂浓度为3.125%、6.25%、9.375%、12.5%的能带结构图，从图中可以直观的看出狄拉克锥处被打开了一定的带隙Eg，且由表一数据可知，带隙Eg对掺杂浓度非常敏感，随着掺杂浓度的增大，使得相应BS系统下的能带间隙Eg不断增大。在图3-6中，描绘了Eg随着B掺杂浓度的变化，这种关系近似可以看作是线性增加。图3-5.(a)、(b)、(c)、(d)分别是掺杂浓度为3.125%、6.25%、9.375%、12.5%的能带结构图图3-6.Eg随着掺杂浓度的变化3.3.2介电函数从前一小节可以看出，由于B原子的掺杂，电子性质发生了明显的变化，对电子性质的影响有望改变硅烯的光学性质。如图3-7所示，(a)、(b)、(c)、(d)分别是掺杂浓度为3.125%、6.25%、9.375%、12.5%的介电函数图，通过计算我们发现，随着B掺杂浓度的进一步增加，无论是介电函数的实部还是虚部，垂直极化E⊥的值没有明显的变化；然而，对于平行极化E∥，介电函数实部的静态值ε1(0)和介电函数虚部的静态值ε2(0)随着掺杂浓度的增加而显著变化。图3-8为E∥极化的静态介电函数实部的静态值ε1(0)随B掺杂浓度的变化；当掺杂浓度较低时，它有一定程度的下降，当掺杂浓度较高时，它会显著增加，当掺杂浓度为6.25%时，ε1(0)图3-7.(a)、(b)、(c)、(d)分别是掺杂浓度为3.125%、6.25%、9.375%、12.5%的介电函数图，其中ε1(ω)是ε(ω)的实部，ε2(ω)是ε(ω)的虚部图3-8.原始硅烯E∥极化的静态介电常数随B3.3.3折射率和反射率利用公式(2-21)和(2-22)我们可以计算出复折射率的实部n(ω)，随着掺杂浓度的增加，E⊥极化的n(ω)的值及其峰值并没有明显的变化。而对于E∥极化的n(ω)的峰值移动到了频率极低的区域(<1.0eV)，并且显著增加，其峰值变化趋势与图3-8基本一致。这是由于ε1(0)随着掺杂浓度的变化会在低浓度时下降，高浓度时增加，而n(ω)与介电函数的实部有关，因此n(ω)的峰值也会剧烈变化。在使用了公式(2-22)和(2-23)获得了折射率的实部和虚部之后，将其带入(2-24)，我们计算出了E∥和E⊥这两种极化的BS系统的反射率。图3-9.(a)、(b)、(c)、(d)分别是掺杂浓度为3.125%、6.25%、9.375%、12.5%的反射率光谱图在E∥极化下，Rmax(ω)在B原子掺杂浓度较低时，Rmax(ω)下降，当掺杂浓度较高时，Rmax(ω)显著增加，在6.25%时达到最大值为67.7%，随着B浓度在BG体系中进一步升高，可以观察到Rmax(ω)的非单调变化，并随B掺杂浓度的增加整体呈下降趋势，如图3-10(a)所示。在E⊥极化下Rmax(ω)随掺杂浓度的变化如图3-10(b)所示。对于E∥极化而言，Rmax(ω)的值位于光谱的可见光到红外部分(<5eV)，由于B原子的存在，扩大了BS系统在电磁辐射可见光部分的可见性。由此我们可以得出，掺杂浓度在E图3-10.BS系统反射率最大值的各向异性特征，(a)表示E∥极化，(b)表示E3.3.4吸收系数图3-11.吸收系数最大值随掺杂浓度的变化，(a)表示E∥极化，(b)表示E随着体系中掺杂浓度的增加，E⊥极化下的情况如图3-11(b)所示。对于E∥极化，如图3-11(a)，随着B浓度的增加，αmax(ω)开始增加，在6.25%时达到最大值为99.258，但当掺杂浓度足够高时，峰高会显著降低，但峰值的位置相对于原始硅烯始终没有显著变化。当频率大于15eV时，α(ω)的会不断趋近于零，这一现象与原始硅烯一致，并且与掺杂浓度无关。在3.23.3.5电子能量损失谱(EELS)图3-12.(a)、(b)、(c)、(d)分别是掺杂浓度为3.125%、6.25%、9.375%、12.5%的EELS光谱图如图3-12为不同掺杂浓度下EELS的光谱图，可以看出，随着掺杂浓度的增加，E∥极化和E⊥极化的原始尖峰变的越来越光滑，并且随着掺杂浓度的增加，E∥极化下尖峰的峰值也会单调减小，如图3-13所示。图3-13.E∥极化下EELS4.总结与展望此文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了B掺杂不同浓度对硅烯结构、电子性质、光学性质的影响，并与原始硅烯的情况作了比较。研究结果表明，B的掺杂使得硅烯的电子性质和光学性质发生了很大的变化。原始硅烯中B原子的掺杂会使得狄拉克锥打开一个带隙，同时费米能级向上移动，且随着掺杂浓度的增加，带隙Eg也会不断增大。对于介电函数而言，在垂直极化E⊥下没有明显的改变，而在平行极化E∥下，B原子的掺杂使得介电函数实部的静态值ε1(0)随着掺杂浓度的增加而显著变化。当掺杂浓度较低时，它有一定程度的下降，当掺杂浓度较高时，它会有数量级的增加。随着掺杂浓度的增加，折射率n(ω)在E∥极化下的峰值移动到了频率极低的区域(<1.0eV)，并且显著增加。反射率的最大值Rmax(ω)在B原子掺杂浓度较低时，Rmax(ω)下降，当掺杂浓度较高时，Rmax(ω)显著增加，其变化趋势与ε1(0)一致。吸收系数的最大值αmax(ω)会在掺杂浓度较低时开始增加，但当掺杂浓度足够高时，峰高会显著降低，但峰值的位置相对于原始硅烯始终没有显著变化。此外，电子能量损失谱的尖峰会变得光滑，且峰值会随着掺杂浓度的增加而减少。这为实验调控对于未来在硅烯引入杂质方面的研究，可能会是异质原子共同掺杂，如N—B原子对的掺杂，也可能是一些二维材料组成的双分子层的掺杂，如硅烯/石墨烯双分子层掺杂的研究；总而言之，本论文的理论工作将有助于读者了解硅烯在掺杂方面的研究，目前硅烯还有大量需要研究者们深入探索和解决的问题，我们相信未来对硅烯掺杂的研究会成为一个热门的科学领域。参考文献[1]Yiqun

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