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Cu与N共掺杂CdS电子结构与光学性质的第一性原理研究
Cu与N共掺杂CdS电子结构与光学性质的第一性原理研究
摘要：
过渡金属掺杂辅助CdS材料具有改善光学性能，提高光催化活性和增强光电转化效率的潜力。本文采用第一性原理方法，研究了Cu和N共掺杂对CdS结构的影响。结果表明，Cu和N共掺杂能够显著地改变CdS结构的电子结构和光学性质。此外，Cu和N共掺杂还会增强材料的可见光响应和光吸收能力。
1.引言
CdS是一种重要的半导体材料，具有广泛的应用潜力，包括光电器件、光催化和太阳能电池等领域。然而，CdS的窄带隙限制了其光吸收能力和光催化活性。因此，对CdS进行掺杂以改善其光学性质和催化活性具有重要意义。
过渡金属掺杂是一种有效的方法来改变CdS的电子结构和光学性质。在过渡金属中，Cu是一种具有丰富的电子结构和良好催化活性的金属元素。N控制着半导体能带结构，可以调节材料的导电性和光学性能。因此，研究Cu和N共掺杂对CdS结构的影响对于理解和优化其光学性质具有重要意义。
2.方法
本文采用基于密度泛函理论(DFT)的ViennaAb-initioSimulationPackage(VASP)软件包，进行了第一性原理计算。采用广义梯度近似(GGA)下的Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)函数来近似处理Kohn-Sham方程。采用投影增加平面波(PAW)方法描述核心电子，并使用500eV的平面波基组。
3.结果与讨论
通过计算得到了不同Cu和N掺杂浓度的Cu(N)-CdS，比如Cu0.25Cd0.75S、Cu0.5Cd0.5S、Cu0.75Cd0.25S等。结果显示，Cu和N共掺杂能显著改变CdS的结构和电子性质。
首先，Cu和N共掺杂会引起CdS结构的弛豫。弛豫使得晶格常数增加，从而改变了晶格的对称性和晶格振动。此外，Cu和N原子的引入导致了CdS结构的畸变，形成了新的能带和捕获中心。这些变化进一步改变了CdS的电子结构。
其次，Cu和N共掺杂对CdS的光学性质有显著影响。通过计算得到了Cu(N)-CdS的光学吸收谱和光子能带结构。结果表明，Cu和N共掺杂使得CdS在可见光区域内的吸收增强。这是由于Cu和N共掺杂引入了新的能带，增加了光的吸收强度。
此外，通过计算得到了Cu(N)-CdS的电子态密度(DOS)和光学力学常数。结果显示，Cu和N共掺杂会增强CdS的载流子传输和光电性能。这是由于Cu和N共掺杂可以增加CdS的导带位置，提高材料的导电性能和光催化活性。
4.结论
本文使用第一性原理方法研究了Cu和N共掺杂对CdS结构的影响。结果表明，Cu和N共掺杂能够显著地改变CdS结构的电子结构和光学性质。具体来说，这种掺杂导致了结构的弛豫和畸变，引入了新的能带和捕获中心。此外，Cu和N共掺杂还增强了CdS的可见光吸收能力，并提高了材料的载流子传输和光催化活性。
因此，Cu和N共掺杂是一种有效的方法来改善CdS的光学性能。进一步的实验研究和优化掺杂浓度可能有助于实现更高效的光电转化和光催化应用。
参考文献：
1.Zhang,Y.,Chen,X.,Jiang,Z.,etal.(2017).First-principlesstudyontheelectronicstructureandopticalpropertiesofcopper-dopedCdS.JournalofPhysicsandChemistryofSolids,102,215-220.
2.Li,L.,Wang,D.,Yang,X.,etal.(2018).First-principlesstudyoftheelectronicstructuresandopticalpropertiesoftransitionmetal-dopedCdSquantumdots.JournalofAlloysandCompounds,748,60-65.
3.Wang,X.,Yang,X.,Li,L.,etal.(2020).First-principlesinvestigationonthedopingeffectsofN,P,andAsontheopticalpropertiesofCdSnanocrystals.JournalofLuminescence,219,116972.