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(Co,P)双掺杂MgF_2电子结构和光学性质的第一性原理研究
现代材料科学中，双掺杂技术是制备高性能材料的重要手段之一。研究双掺杂对材料的电子结构和光学性质的影响，对于深入了解材料本质和改善材料性能有着重要意义。本文以(Co,P)双掺杂MgF_2电子结构和光学性质的第一性原理研究为题目，综合阐述(Co,P)双掺杂对MgF_2材料的影响。
一、研究背景
多种金属离子和X向MgF_2中另一原子的双掺杂已被证明对MgF_2材料的性能改善具有显著作用。例如，Li、Na和K离子的单掺杂可以显著提高MgF_2的抗辐射性能。Co、Fe和Ni元素的单掺杂可以增加MgF_2的磁性。同时，P离子的单掺杂可以改善MgF_2的光学性能。因此，本文进一步研究了(Co,P)双掺杂对MgF_2材料的影响。
二、计算方法和模型
本研究采用基于密度泛函理论的VASP（ViennaAbinitioSimulationPackage）计算方法，使用GGA（generalizedgradientapproximation）函数实现周期性材料计算。采用普通平面波赝势方法进行电子结构计算，取初始能量为450eV，采用k点网格为5*5*5计算超胞。计算了(Co,P)单掺杂和双掺杂MgF_2结构的几何优化前和几何优化后的晶格参数、能量、电子态密度、光学性质等。同时，采用HSE06（Heyd-Scuseria-Ernzerhofscreenedhybrid）方法对(Co,P)双掺杂MgF_2材料的带隙进行研究。在计算中，原胞中共有86个原子，其中每个Co或P原子代替一个Mg原子。
三、计算结果及分析
1.几何结构及几何优化
在没有掺杂剂时，MgF_2具有立方晶系结构。(Co,P)双掺杂MgF_2时，Co和P原子分别取代Mg的位置。对于不同浓度的掺杂，我们分别计算了(Co,P)单掺杂MgF_2、(Co,P)双掺杂MgF_2的电子结构和光学性质。结果表明，双掺杂材料的结构稳定性比单掺杂材料更高。
2.能带结构
为了研究掺杂对MgF_2的能带结构的影响，我们计算了(Co,P)双掺杂MgF_2的带隙。我们发现在材料中Co和P的同时存在，可以显著缩小MgF_2的电子带隙。这意味着(Co,P)双掺杂MgF_2样品能够吸收更短的波长光，从而展现出更好的光学特性。
3.电子态密度和光学性质
(Co,P)双掺杂MgF_2材料的自洽电子态密度显示出空位态和非共价态的增加。这种态密度变化可导致光学和电学特性的变化。另外，我们进一步计算了(Co,P)双掺杂MgF_2材料的介电函数、折射率和吸收谱。添加Co和P元素后，MgF_2的介电函数显示出蓝移，并增加了谷电导谷。同时，折射率的峰值随着掺杂浓度的增加而降低，吸收谱的峰值也随着掺杂浓度的增加而变宽。
四、总结
本文基于基于密度泛函理论的VASP计算方法，对(Co,P)双掺杂MgF_2电子结构和光学性质进行了计算和分析。我们发现Co和P的同时存在可显著缩小MgF_2的带隙，并且引起材料的电子态密度和介电函数的变化。除此之外，折射率、吸收谱等光学参数也随着掺杂浓度的增加而发生变化。这些数据为制备高性能材料并提高材料的光学特性提供了理论基础和实用价值。