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离子掺杂对层状氮化物ATiN2(A=Ca,Sr,Ba)的光电性质影响研究

申报人：梁华琳 申报日期：2024-05-30

基本情况

2024年批次
离子掺杂对层状氮化物ATiN2(A=Ca,Sr,Ba)的光电性质影响研究 学生申报
创新训练项目
理学
物理学类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
与氧化物相比，氮化物具有较高的氮含量和环境友好性，以及较高的离子极化率和高温下的高化学稳定性，因此具有吸引力。然而，对氮化物的介电性能以及其他光电物理性质的研究很少。2023年项目负责人主持了国家级大创项目“层状氮化物ATiN2的各向异性光学性质研究”，对SrTifN2，CaTiN2和BaTiN2等层状氮化物的晶体结构，光电性质，电子结构进行了系统研究，该项目取得的成果已经撰写了学术论文“Optic-electronic properties of the layered nitrides ATiN2”（准备投稿）。本项目计划在此基础上，继续研究离子掺杂准二维层状过渡金属氮化物ATiN2(A = Ca, Sr, Ba)的电子结构，光电性质，采用多种相关离子进行多点位掺杂取代和不同比例掺杂调制光学性质，得到性能优异的光电材料，为其在新型半导体器件、光电子器件、光电传感器、太阳能电池、偏振敏感器件的材料选择、具体应用提供理论线索和指导。
作为负责人主持23年大学生创新创业项目（国家级）“层状氮化物AMN2的各向异性光学性质研究”
国家自然科学基金：PdSSe及相关过渡金属二硫族化合物的相设计、相变和物性调控研究
国家自然科学基金：六角结构的Sr4IrO6及相关4d/5d过渡金属氧化物的电子结构和物理性质研究 
广西科技基地和人才专项项目：纳米光伏太阳能电池材料的理论设计与器件优化研究 
广西自然科学基金：铁电Rashba半导体材料的第一性原理设计与基础物理研究 
将在项目执行过程中提供全面指导，为整个项目小组提供理论计算与模拟所需要的计算资源（24核服务器一台），将本科生科研小组与研究生对接，提供一对一帮扶指导。
国家级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
梁华琳 物理与电子信息工程学院 应用物理学 2021 建掺杂模型，计算光学性质
姜云鹏 物理与电子信息工程学院 应用物理学 2023 绘图
杨轶钧 物理与电子信息工程学院 通信工程 2023 模型优化，数据分析处理

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
明星 物理与电子信息工程学院 否

立项依据

层状结构三元金属氮化物作为一类新型材料，具有一系列独特的物理和化学性质，同时具有金属和陶瓷的优良性能，拥有良好的导电性能和导热性能，像陶瓷一样具有高屈服强度、高熔点；此外还有载流子速率高、机械稳定性高等特性。这使得它们在众多领域都有潜在的应用价值。

本项目拟基于上一个大创项目的研究基础，进一步通过离子掺杂来调控层状氮化物材料ATiN2的光电特性，深入理解它们的电子结构和光学性质，结合现有的部分数据研究挖掘出它在众多领域的潜在应用价值，比如光电子器件、太阳能电池、传感器等，为未来的应用提供理论支持和技术指导。

本研究主要先选择众多二价和四价阳离子（如Mg2+、Sn²⁺、Pb²⁺、Si4⁺、Ge4+、Sn4+、Pb4+、Zr4+、Hf4+等）作为掺杂剂，设计ATiN2材料的掺杂模型，先优化模型，再计算电子结构，接着对其进行光电特性，载流子特性等物理性质进行计算分析。利用第一性原理计算模拟出掺杂前后ATiN2材料载流子浓度、迁移率、电阻率等，研究掺杂对电学特性的影响，进一步分析ATiN2材料离子掺杂前后的光吸收谱、消光系数、反射和透射光谱等光学性质，研究离子掺杂对材料光学特性的影响。最后进行总结归纳。
（1）国内研究现状
国内目前对离子掺杂层状氮化物ATiN2的光电性质影响研究几乎没有报道，研究者主要研究的是金属离子掺杂对二元金属氮化物以及氧化物光电特性的探究，例如Da-Qing Zhao等人构建了纤锌矿结构的InN超胞及三种不同有序占位Mn2+和Mn3+离子分别掺杂InN超胞模型，并进行几何优化的基础上计算了掺杂前后体系的电子结构、能量以及光学性质[1]，以及利用金属离子掺杂TiO2晶格结构内部从而引入新电荷、形成缺陷或改变晶格类型，影响光生电子和空穴的运动状况、调整其分布状态[2]。在过去几十年中，国内对为研究过渡金属氮化物做出了许多努力，并且近几十年来，由于不断增强的计算能力，计算机模拟技术的发展，以及更多的实验技术的应用[3,4]人们逐渐开始了掺杂层状三元氮化物材料的探索与研究。
（2）国外研究现状
过渡金属氮化物的研究历史可以追溯到上世纪20年代，亨利齐默尔和詹姆斯杜普里亚尼等英国研究人员发现过渡金属氮化物的重要性，并提出了基于这种材料的物理和化学性质的理论。
随后，在20世纪70年代，美国物理化学家威斯曼进一步研究了这类氮化物的电子结构和物理性质，提出了基于理论分析模型的研究技术，为其进一步开发和应用奠定了基础。而在国外，科研工作者目前主要研究了过渡金属氮化物在蓝光发光二极管，如果与荧光粉耦合以获得白光，可以在手机和电视的背景照明以及节能灯泡中应用[5,6]；或为高清蓝光播放器供电的蓝色激光二极管[7]。此外，除了这些光电应用之外，基于三元氮化物的器件也开始出现或正在越来越多的领域进行研究，例如功率[8]和高频晶体管[9]、光伏电池[10,11]和水分解器件[12]等方面。我们将会利用其在光学、电子学和磁学上具有的独特性质，指导制造光电器件。
而近年来，随着人们需要更高性能的材料去制作光电元器件，人们开始利用掺杂其他化学元素进入过渡金属氮化物，利用改变材料的结构调控材料的光电性质，而从单元素掺杂到多元素共掺杂改性引起了人们的广泛关注，这可能有助于实现单A位点或B位点掺杂无法获得的优异介电性能[13]。
因此，我们可以借鉴国外的离子掺杂部分研究方法，将其运用到此次研究层状氮化物材料ATiN2的光电特性的掺杂改性中。
（3）参考文献
[1]赵大青 赵子涵 李沛贤 王超 张彦 刘淑麟 童俊 不同价锰离子掺杂InN的电子结构、磁性和光学性质的第一性原理研究[J]： 物理学报， 67,087501 （2018）
[2]栾勇, 傅平丰, 戴学刚, 杜竹玮.金属离子掺杂对TiO2光催化性能的影响[J].化学进展, 2004, 16(05): 738.
[3] Lynn M O、Ologunagba D、Dangi B B 等人。过渡金属氮化物堆积性质的密度泛函理论研究[J].物理化学 化学物理， 2023， 25（6）： 5156-5163.
[4] Merriles D M、Knapp A S、Barrera-Casas Y 等人。双原子过渡金属氮化物的键解离能[J].化学物理， 2023， 158（8）： 084308.
[5] M.T. Hardy， D.F. Feezell， S.P. Denbaars， S. Nakamura， III组氮化物激光器：材料视角[J]， Mater.今天，14（2011）：408–415。
[6] B.J. Baliga，电力电子应用氮化镓器件[J]， Semicond.科学技术 28 （2013）， 074011
[7] D.A. Steigerwald， J.C. Bhat， D. Collins， R.M. Fletcher， M.O. Holcomb，M.J. Ludowise， et al.， 固态照明技术照明[J]， IEEE J.Sel. Top.量子电子。8 (2002) 310–320.
[8] S. Pimputkar， J.S. Speck， S.P. Denbaars， S. Nakamura， LED照明的前景[J]， Nat. Photonics 3 （2009） 180–182.
[9] U.K. Mishra， P. Parikh， Y.F. Wu， AlGaN/GaN HEMTs - 器件操作和应用概述[J]， Proc. IEEE 90 （2002） 1022–1031.
[10] D.V.P. McLaughlin， J.M. Pearce， 太阳能光伏能量转换的氮化铟镓材料研究进展[J]， Metall. 母校。A：Phys. Metall. Mater.科学 44 （2013） 1947–1954.
[11] N. Lu， I. Ferguson， 用于能源生产的III-氮化物：光伏和热电应用[J]， Semicond.科学技术 28 （2013）： 1–11.
[12] M.G. Kibria， F.A. Chowdhury， S. Zhao， B. AlOtaibi， M.L. Trudeau， H. Guo， et al.， 使用p型金属氮化物纳米线阵列的可见光驱动高效整体水分解[J]， Nat. Commun.6 (2015).
[13] L. Gao， Z. Guan，S.Huang， et al.掺杂改性增强钛酸锶薄膜的介电性能[J].材料科学学报： 电子材料， 30（14）， 12821-12839.
在材料方面，ATiN2二维层状结构过渡金属氮化物物理性能优越，具有成为新型半导体的潜力。在选择合适的二价阳离子或者四价阳离子作为掺杂剂下，设计ATiN2材料的掺杂样品。材料的光电性质与其结构有很大联系，利用掺杂改变材料的本身的物理特性，例如介电常数、电导率等参数。我们通过三种掺杂方式进行研究，第一种为多点位掺杂多种元素，第二种单点位掺杂多种元素，第三种多点位掺杂单种元素，进行不同的模型构建。希望通过本项目研究找到其在离子掺杂下后光电性能提升机制，挖掘其潜在应用价值。

夏日笔记-IMG拟解决的问题：

探索掺杂离子对ATiN2材料光电特性的影响，筛选出较为合适的掺杂策略，为在新型半导体器件、光电子器件、光电传感器、太阳能电池、偏振敏感器件的应用和研究上提供理更多的材料选择以及理论线索和指导。

预计成果：

通过本项目的研究，探索阳离子掺杂ATiN2材料光电特性影响，筛选出较为合适的掺杂元素和掺杂方式，为实验研究工作提供理论指导；预期研究结果以论文形式在国际知名高水平期刊发表。

第一阶段（2024.05~2024.06），收集资料，查找文献，对所进行的研究项目进行充分的认识，并进行项目内容研究、方案设计、项目申报书撰写。
第二阶段（2024.07~2024.09），计算掺杂ATiN2材料的掺杂方式和掺杂离子种类，构建先关模型。
第三阶段（2024.10~2025.01），计算掺杂特定阳离子ATiN2的材料的光电特性。
第四阶段（2025.02~2025.05），对本次项目研究成果进行总结、整理，撰写论文，投稿，提交项目结题报告。
与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
项目指导老师指导了2022级国家级大创项目“应力和压力调控层状氮化物AMN2的介电性质和微波性质研究”，该项目取得的成果已经撰写了学术论文“Strain-induced giant enhancement of dielectric constant in layered nitrides SrZrN2 and SrHfN2”已发表在期刊Phys Chem Chem Phys上发表。
项目申请人作为负责人完成了2023年国家级大创项目“层状氮化物AMN2的各向异性光学性质研究”，该项目取得的成果已经撰写了学术论文“Optic-electronic properties of the layered nitrides AMN2”准备投稿。
本次项目申请是以上一个大创项目研究结果为基础的深化。指导老师已经指导项目申请人负责的科研小组对纯相SrTiN2，CaTiN2和BaTiN2等层状氮化物的光电性质，电子结构等进行了系统研究，项目小组成员已学习相关计算软件，掌握了研究材料光电特性的理论和方法，为进行离子掺杂研究层状氮化物的光电性质提供了基础。

已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法
指导老师为整个项目小组提供理论计算与模拟所需要的计算资源：一台24核服务器。对于研究过程中的大规模并行计算任务（如AIMD， PHONON）需要在国家超算中心执行，所需要的机时费通过本项目的资助经费解决。

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 20000.00 无 7000.00 13000.00
1. 业务费 20000.00 支出在国家超算中心大规模并行计算所需要的机时费 7000.00 13000.00
（1）计算、分析、测试费 14000.00 支出在国家超算中心大规模并行计算所需要的机时费 7000.00 7000.00
（2）能源动力费 0.00 无 0.00 0.00
（3）会议、差旅费 4000.00 参加2024全国物理秋季学术会议 0.00 4000.00
（4）文献检索费 0.00 无 0.00 0.00
（5）论文出版费 2000.00 资料打印，论文版面费 0.00 2000.00
2. 仪器设备购置费 0.00 无 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 无 0.00 0.00
4. 材料费 0.00 无 0.00 0.00
结束

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