Ni掺杂CoFe2O4晶体电磁性质的第一性原理研究

文章编号:1001-9731(2021)01-01115-06L a㊁S b共掺杂S n O2电性能的第一性原理研究*梁雨婷1,2,王景芹1,2,朱艳彩1,2,孙绍琦1,2,张哲1,2,李昊天1,2(1.河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室,天津300130;2.河北工业大学河北省电磁场与电器可靠性重点实验室,天津300130)摘要:基于密度泛函理论的第一性原理方法,使用软件构建了S b㊁L a单掺杂与共掺杂S n O2的超晶胞模型,几何优化并计算分析其晶体结构㊁能带结构㊁态密度及布居㊂结果显示:与单掺杂比,L a-S b共掺后的热稳定性最高,仍是直接带隙材料㊂S b的5s㊁5p态和L a的5p态在导带底引入杂质能级,使得导带下移,带隙变小,载流子跃迁所需的能量减少;共掺杂时电子共有化程度最高,电子转移加剧㊂共掺杂后S n O2材料的导电性能改善最好,分析结果可作为后续材料发展的理论依据㊂关键词:第一性原理;S n O2;L a-S b共掺杂;电性能;密度泛函理论;电接触材料中图分类号: T M501文献标识码:A D O I:10.3969/j.i s s n.1001-9731.2021.01.0160引言银-金属氧化物电接触材料具有优良的开关性能㊁导电性能及较好的耐磨损性能㊁抗电熔焊性能,适合应用在低压电器的开关设计之中[1]㊂银-金属氧化物这一系列电接触材料中,A g C d O拥有相对更好的抗熔焊㊁耐电弧等性能,因而最为频繁应用㊂然而A g C d O 材料中的C d在生产㊁使用及回收过程中会对环境造成污染,对人体健康产生危害[2-3],对此研究者寻找新型电接触材料替代其用于生产使用成为当下较为急迫的任务㊂在寻找A g C d O替代物的过程中,A g S n O2因其在开关运行特性㊁抗熔焊性㊁环境友好性等方面的优良表现而备受青睐㊂A g S n O2材料中的S n O2是一种宽禁带半导体,其带隙宽度达到3.6e V㊂S n O2在使用过程中,容易析出并包覆在触头表面,导致接触电阻增大和使用过程中的温升提高,对材料的导电性能产生影响[4-5]㊂经过研究发现,掺杂其他元素于S n O2晶体中能够调节进而优化A g S n O2材料的电性能[6-7]㊂近年来,对于不同元素掺杂S n O2的研究正在有条不紊的进行㊂龙梅等研究了特定浓度的S b掺杂S n O2后的电子结构和光学性质,掺杂后其导电性明显提高,材料呈现出半金属性质[8]㊂赵彩甜等采用第一性原理建模分析不同浓度的L a掺杂S n O2材料的导电性能,发现掺杂后导电性有所增强,当L a的掺杂比为16.67%时提升性能最佳[9]㊂丁超等进行S b,S共掺S n O2并研究其电子结构,发现共掺杂后载流子浓度增大,导电性能较单掺时有所提升[10]㊂单元素掺杂S n O2改善导电性能的研究,尤其是稀土元素的掺杂[11],两种元素共掺S n O2的研究日趋增多[12],然而关于S b元素与L a 元素共同掺杂S n O2的研究目前却少见㊂本文以密度泛函理论的第一性原理方法为基础,构建同一掺杂浓度下的S b元素㊁L a元素分别掺杂S n O2及共同掺杂S n O2的晶胞模型㊂对掺杂后的模型进行几何优化并计算分析相关能带结构㊁态密度㊁电荷布居等电性能,为A g S n O2触头材料的后续发展提供新的参考㊂1晶胞模型与计算方法1.1晶胞模型在仿真研究中常采用的S n O2结构为四方晶系金红石结构,该结构中2个S n原子和4个O原子存在于一个原胞之中,其中S n原子位于原胞的体心和四周顶点位置,其晶格参数理论上为a=b=0.4737n m,c =0.3168n m,α=β=γ=90ʎ,空间群为P42/m n m,图1(a)所示为单个原胞的结构示意图[13-14]㊂本次研究构建的超晶胞模型,由12个S n原子和24个O原子构成,掺杂方式选择原子替代的模式,经过大量理论和课题组研究后选取的掺杂原子百分比为16.67%㊂即当单一掺杂时,如图1(b)和图1(c)所示,将超晶胞中两个S n原子分别替换为两个S b原子或两个L a原子㊂当共掺杂时,见图1(d)所示,一个S b原子和一个L a原子分别替换超晶胞中的两个S n原子㊂1.2计算方法本文基于第一性原理进行仿真计算,计算方法使用交换关联泛函G G A和修正泛函P B E,采用M a t e r i-a l sS t u d i o仿真软件中的C A S T E P模块[15-16]㊂计算采51110梁雨婷等:L a㊁S b共掺杂S n O2电性能的第一性原理研究*基金项目:国家自然科学基金资助项目(51777057)收到初稿日期:2020-05-08收到修改稿日期:2020-06-25通讯作者:王景芹,E-m a i l:j q w a n g@h e b u t.e d u.c n 作者简介:梁雨婷(1995 ),女,河北承德人,在读硕士,师承王景芹教授,从事电器电接触材料研究㊂用的价电子组态为:S n :5s 25p 2㊁O :2s 22p 4㊁S b :5s 25p 3㊁L a :5p 65d 16s 2㊂在倒易空间进行所有计算[17]㊂计算第一步为几何优化每个超晶胞掺杂体系模型及本征S n O 2模型的结构,使其达到最稳定的结构㊂随后对第一步形成的稳定结构计算其态密度㊁能带结构和布居并加以分析㊂所选取的计算参数为:迭代收敛精度设为1.0ˑ10-6e V /a t o m ,单元电子能设为1.0ˑ10-5e V /a t o m ,原子间相互作用力小于0.3e V /n m ,应力偏差低于0.05G P a ,最大位移收敛精度为0.0001n m ,平面波截断能量选择340e V ,布里渊区k 网格点选用4ˑ2ˑ2㊂图1 超晶胞模型F i g 1S u pe r c e l lm o d e l 2 结果与讨论2.1 晶体结构和稳定性分析几何优化本征S n O 2㊁S b ㊁L a 单掺杂S n O 2及Sb -L a 共掺杂S n O 2后的掺杂体系,焓变值和晶格常数等优化后的参数见表1所示㊂表1中本征S n O 2的晶格常数与文献值相比误差很小(0.06%)[18],说明此仿真计算结果有效㊂如表1数据所示,杂质元素掺杂进入晶胞后,晶胞体积与晶格常数均明显增大,这是因为S b 3+的离子半径为0.076n m ,L a3+的离子半径为0.106n m ,两者都大于S n 4+的离子半径(0.069n m )㊂进行替位掺杂后,S b -O 键㊁L a -O 键等新形成的键长大于本征S n O 2中S n -O 键的键长,因此原有的晶胞排列出现改变,导致晶胞膨胀,产生畸变㊂比较S b ㊁L a 和S b -L a 3种掺杂,L a 3+的离子半径最大,故L a 掺杂后的晶胞体积和晶格常数最大,S b -L a 掺杂后的参数介于两种单掺后的参数之间㊂表1 晶格常数㊁晶胞体积及焓变值T a b l e 1L a t t i c e s c o n s t a n t s ,c e l l v o l u m e a n de n t h a l p yc h a n ge 晶胞模型a /n mb /n mc /n m晶胞体积/n m 3焓变值/e VS n O 20.47370.47370.31860.0715-0.012S b :S n O 20.49720.49720.33110.0818-2.152L a :S n O 20.50280.50280.34340.0868-7.853S b -L a :S n O 20.49880.50100.33430.0835-10.464 表1还展示了各个体系进行优化后的焓变值(ΔH /e V ),焓变值的负值越大,越是热力学上稳定的体系㊂由表1焓变值数据可知,本征S n O 2体系和掺杂后S n O 2体系焓变值均为负值,则这些模型在热力学上都是稳定的㊂掺杂后的掺杂后S n O 2体系焓变值均小于本征S n O 2体系焓变值,说明掺杂后S n O 2体系稳定性得到提升㊂S b -L a 共掺杂后的S n O 2体系焓变值最小,因此得出共掺杂体系的热稳定性优于单掺杂体系㊂2.2 能带分析图2所示为本征S n O 2㊁S b ㊁L a 单掺杂和S b -L a 共掺杂后的能带结构㊂由图2(a )可见,本征S n O 2的价带最高点和导带最低点均位于布里渊区G 点处,是直接带隙半导体,计算得到的带隙值为1.079e V ,此计算值小于实验值3.6e V [19],原因是密度泛函理论中的广义梯度近似(G G A )在仿真中将S n 5p 电子态的能量高估,没有妥善处理电子间的交换关联相互作用,使得计算带隙值偏小[20]㊂各个体系的计算参数设置在本次理论计算中保持一致,因此前者不影响对掺杂前后带隙值的对比分析㊂进行不同掺杂后体系能带图中的价带顶和导带底均位于布里渊区G 点处,故掺杂后材料仍为直接带隙半导体材料,选择0e V 为费米能级㊂单掺杂体系如图2(b ),图2(c )所示,S b 单掺杂后,带隙值减小为0.646e V ;L a 单掺杂后,带隙值减小为0.509e V ,两者均小于本征S n O 2的带隙值,单掺杂令能带曲线均较未掺杂时能级变多,能带间变得紧密㊂导带变窄,局域性增强,由于L a 元素的5d 电子态及S b 元素5s ㊁5p 电子态的分别作用而整体下移至深能级处㊂由于L a 元素的6s ㊁5p 电子态及S b 元素5s ㊁5p电子态产生杂质能级,价带整体变宽向导带靠近,使得带隙变窄,载流子浓度增大,增强了导电性能㊂图2(d )为S b -L a 共掺杂S n O 2后的能带结构㊂共掺杂后的能带曲线较单掺杂时密集程度明显提高,在费米能级价带顶处的密集程度尤为显著㊂相比于单掺杂,价带明显变宽,更加靠近费米能级,使得载流子跃迁几率大大增加㊂能带整体更为平缓,说明电子的611102021年第1期(52)卷局域性在共掺杂后更强㊂共掺杂带隙值经计算为0.114e V ,小于本征S n O 2和Sb ㊁L a 单掺杂时的带隙值,说明载流子仅需较小的能量即可从价带跃迁,进一步提高掺杂材料的导电性能㊂图2 能带结构图F i g 2Ba n d s t r u c t u r e 2.3 态密度分析图3为本征S n O 2,S b ㊁L a 单掺杂和S b -L a 共掺杂S n O 2体系的总态密度图与分态密度图㊂如图3(a )所示,本征S n O 2的价带主要由两部分组成,下价带位于-20~-15e V ,O 的2s 态和少量S n 的5s 态与5p 态为主要构成,该区域离费米能级较远,对分析结果的影响可以忽略㊂上价带位于-10~0e V ,此区域有3个波峰:第一个波峰(-10~-5e V )由S n 的5s 态和O的2p 态贡献;第二个波峰(-5~-2.5e V )由S n 的5p 态和O 的2p 态组成;第三个波峰(-2.5~0e V )主要为O 的2p 态构成㊂少量O 的2p 态和S n 的5s 态㊁5p态共同形成导带,其位于0e V~20e V 之间,少量的S n 的5s 态和O 的2p 态在导带底部进行杂化,因此S n O 2呈现一定的共价性㊂S b 元素与L a 元素单掺杂体系的态密度图见图3(b )及图3(c )㊂单掺杂后的价带部分,S b 掺杂在上价带底部(-12~-10e V )出现一个主要由S b 的5s 态组成的峰值,L a 掺杂在下价带与上价带之间(-15~-10e V 之间)产生一个新的峰值,主要组成成分为L a 的5p 态㊂两种元素掺杂后价带均展宽,S n 与O 的电子态作用减弱㊂与未掺杂时相比,两者导带往低能级方向移动,导带底处S b 的5s 态和L a 的5p 态少量参与杂化,局域性得以增强,带隙变窄㊂当S b -L a 共掺杂S n O 2时(如图3(d )),由于L a 的6s 态的作用,在深能级-30e V 处出现一个新的杂质峰使价带展宽,然而其离费米能级过远,影响可忽略㊂价带部分比起单掺杂展宽更多,出现两个新的峰值:-13.7~-12.5e V 处的主要由L a 的5p 态贡献,在上价带末端-9.18~-8.02e V 处的由S b 的5s 态构成㊂上价带主要由S n 的5s ㊁5p 态,O 的2p 态和S b 的5p 态组成,价带顶由O 的2p 态提供,和单掺杂时差别不大,该区域变化较小㊂掺杂元素少量L a 的5p 态和Sb 的5s ㊁5p 态参与导带部分的组成㊂S n 的5s 态㊁S b 的5p 态和少量L a 的5p 态在导带底产生杂化,电子共有化程度提高,增强该部分局域性,导带宽度进一步减小,导电性能高于单掺杂时,与上述能带分析结果相符㊂2.4 布居分析本文对本征S n O 2和Sb ㊁L a 单掺杂及共掺杂S n O 2的体系进行原子电荷布居及M u l l i k e n 重叠集居分析,如表2所示,表中数据均取平均值㊂本征S n O 2体系中,S n 原子带正电荷主要失去电子,其电荷布居数为1.90e ,O 原子带负电荷主要得到电子,其电荷布居数为-0.95e ㊂进行掺杂后,S n 原子的电荷布居数减小,失电子能力变弱,O 原子的电荷布居数稍微增大,得电子能力变弱㊂单掺杂时对比S b ㊁L a 两个元素的电荷布居数,S b 元素失电子能力更强㊂共掺杂时,掺杂元素提供的电子较单掺杂时增多,部分电子转移,S n71110梁雨婷等:L a ㊁S b 共掺杂S n O 2电性能的第一性原理研究原子和O 原子的电子数因此稍有增加㊂S b ㊁L a 元素提供的电子发生了转移,进而导电性能得到改善㊂图3 态密度图F i g 3D e n s i t y of s t a t e s 可从键重叠集居数看出原子间成键的性质和强弱㊂如表2数据所示,本征S n O 2体系中Sn -O 键的重叠集居数为0.53,共价性较强㊂掺杂杂质元素后,S n -O 键的重叠集居数减小,共价性减弱㊂新形成了S b -O键与L a -O 键,两者的重叠集居数在单掺杂时小于S n -O 键的重叠集居数,共价性较弱,电子共有化程度较弱㊂S b ㊁L a 共掺杂之后,S b -O 键的重叠集居数增大,电子共有化程度提高,原子间的电子转移加剧,导电性能进一步增强㊂表2 电荷布居和键重叠布居T a b l e 2A t o m i c c h a r g e p o p u l a t i o na n db o n d p o pu l a t i o n 模型电荷布居键重叠布居OS nS bL aS n -O S b -OL a -OS n O 2-0.951.90 0.53 S b :S n O 2-0.901.742.15 0.330.28 L a :S n O 2-0.861.73 1.750.36 0.23S b -L a :S n O 2-0.901.752.241.740.350.360.233 结 论建立1ˑ2ˑ3的超晶胞模型,对S n 原子进行替位掺杂,基于密度泛函理论第一性原理对同一掺杂浓度下的S b ㊁L a 单掺杂及共掺杂S n O 2的体系计算并分析其晶体结构㊁能带结构㊁态密度及布居,分析结果如下:掺杂后体系产生晶格畸变,晶格参数和晶胞体积均有所增大;掺杂后热稳定性较本征S n O 2均提高,共掺杂811102021年第1期(52)卷时热稳定性最好;掺杂后,S b的5s㊁5p态和少量L a的5p态在导带底引入杂质能级,使得导带下移,带隙减小㊂S b-L a共掺杂后,杂质能级在价带顶与导带底较单掺杂时增多,能带整体更为平缓与紧密,带隙最小,载流子易于跃迁;由布居分析得知,共掺杂后电子共有化程度较单掺杂时增强,利于电子转移㊂综上可知, S b-L a共掺杂S n O2时导电性能提升最高㊂本文的理论计算及其分析结果可为后续A g S n O2触头材料的研究提供理论参考㊂参考文献:[1] Z h a n g D e l i n,L i nC h e n g u a n g,W a n g J i a j u n,e t a l.T h e a d-v a n c e s o fA g/S n O2e l e c t r i c a l c o n t a c tm a t e r i a l[J].P o w d e rM e t a l l u r g y T e c h n o l o g y,2018,26(6):459-463(i n C h i-n e s e).张德林,林晨光,王家君,等.A g/S n 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a l t h e o r y.T h e c r y s t a l s t r u c t u r e,b a n ds t r u c t u r e,d e n s i t y o f s t a t e s a n d p o p u l a t i o nw e r e c a l c u l a t e db yg e o m e t r i c a l l y o p t i m i z i n g t h e s em o d e l s.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e t h e r m a l s t a b i l i t y o fL a-S b c o-d o p e dm a t e r i a lw a s t h eh i g h e s t,a n d i tw a s s t i l l t h e d i r e c t b a n d g a p m a t e r i a l a f t e r d o p i n g.B e c a u s e t h e5s,5p s t a t e s o f S ba t o ma n d5p s t a t e s o fL a a t o mc o u l d i n t r o d u c e i m p u r i t y l e v e l s i n t o t h e b o t t o mo f t h e c o n d u c t i o nb a n d,t h e c o n d u c t i o nb a n dm o v e d o w n,t h e b a n d g a p b e c a m e s m a l l e r,a n d t h e e n e r g y r e q u i r e d f o r t h e c a r r i e r s t r a n s i t i o nd e c r e a s e d.A s c o-d o p i n g,t h e d e g r e e o f e l e c t r o nc o-o w n e r s h i p w a s t h eh i g h-e s t,a n d t h e e l e c t r o n t r a n s f e rw a s i n t e n s i f i e d.A f t e r c o-d o p i n g,t h e c o n d u c t i v i t y o f S n O2m a t e r i a l i n c r e a s e d t h e m o s t.T h e a n a l y s i s r e s u l t s c o u l db e u s e d a s t h e t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e d e v e l o p m e n t f o rm a t e r i a l s i n t h e f u t u r e. K e y w o r d s:f i r s t p r i n c i p l e;S n O2;L a-S b c o-d o p i n g;e l e c t r i c a l p r o p e r t i e s;d e n s i t y f u n c t i o n a l t h e o r y;e l e c t r i c a l c o n-t a c tm a t e r i a l s021102021年第1期(52)卷。

Ni离子掺杂锐钛矿相TiO2体系的第一性原理研究于智清;王逊;田昂;刘艳侠;杨合;薛向欣【期刊名称】《无机化学学报》【年(卷),期】2017(033)001【摘要】采用自旋密度泛函理论的第一性原理方法并结合晶体配位场理论,研究了Ni离子掺杂锐钛矿相TiO2体系(NixTi1-xO2;NixTiO2)的几何结构、缺陷形成能、电子结构以及磁性特征等问题.结果表明:实验上发现的有关Ni掺杂TiO2体系的很多矛盾,如:晶粒体积的增减、掺杂Ni离子的不同价态、吸收光谱带边移动方向和体系磁性特征的差异等问题都可归因于Ni离子掺杂类型的不同(Nin;Nim).分析表明,不同的Ni离子掺杂类型导致所成Ni-O键的键长和电荷布居不同,从而使Ni离子呈现不同的价态,这也是体系宏观电学和磁学性能差异的根本原因.形成能计算表明,通过控制Ni-TiO2晶体生长过程中的氧环境,可以人为的控制Ni离子的掺杂类型.【总页数】8页(P41-48)【作者】于智清;王逊;田昂;刘艳侠;杨合;薛向欣【作者单位】东北大学冶金学院,沈阳 110819;沈阳建筑大学理学院,沈阳 110168;沈阳建筑大学理学院,沈阳 110168;东北大学冶金学院,沈阳 110819;辽宁省冶金资源循环科学重点实验室,沈阳 110189;辽宁大学物理学院,沈阳 110036;中国科学院金属研究所钛合金研究部,沈阳 110016;东北大学冶金学院,沈阳 110819;辽宁省冶金资源循环科学重点实验室,沈阳 110189;东北大学冶金学院,沈阳 110819;辽宁省冶金资源循环科学重点实验室,沈阳 110189【正文语种】中文【中图分类】O614.81+3【相关文献】1.非金属阳离子掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理研究 [J], 赵宗彦;柳清菊;朱忠其;张瑾;刘强2.S与V掺杂锐钛矿相TiO2电子结构和光学性质的第一性原理研究 [J], 刘晨曦;王少霞;赵旭才;潘多桥;庞国旺;史蕾倩;刘桂安;雷博程;张丽丽3.P、Bi掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理研究 [J], 马战红;邓亚丰;任凤章;熊毅4.Mo掺杂锐钛矿相TiO2磁光性能的第一性原理研究 [J], 付斯年;李聪;郑友进5.Cu-I掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理研究 [J], 宫长伟;何新泽;陈峰华;郭芬芳;侯泽宏;闫雪因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

Fe掺杂CdTe电磁性质的第一性原理研究李昭宁;赵新才;王伟平【摘要】使用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算研究了Fe掺杂CdTe的晶格结构与电磁性质变化.研究发现,掺杂体系的晶格常数与电子结构等随掺杂Fe 原子的位置不同而异.通过能带结构与电子态密度的分析表明,不同占据位的Fe原子表现出迥异的电子能级分布、轨道杂化等,从而引起体系电子性质与原子磁矩的显著变化.其中,替代位与间隙位Fe杂质的原子磁矩分别为3.76和3.14玻尔磁子.这一研究对深入理解掺杂CdTe类稀磁半导体的物理性质有重要意义.【期刊名称】《功能材料》【年(卷),期】2016(047)002【总页数】5页(P2036-2040)【关键词】碲化镉;铁掺杂;电子结构;第一性原理【作者】李昭宁;赵新才;王伟平【作者单位】中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳621999;中国工程物理研究院高能激光科学与技术重点实验室,四川绵阳621999;中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳621999;中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳621999;中国工程物理研究院高能激光科学与技术重点实验室,四川绵阳621999【正文语种】中文【中图分类】O469近年来，稀磁半导体(diluted magnetic semiconductors，简称DMS)引起了人们的广泛关注与研究。

这种材料同时利用了电子的电荷属性与自旋属性，在信息的存储与处理上具有更快的速度与更低的能耗，从而在自旋电子学领域展现出广阔的应用前景[1]。

稀磁半导体主要通过在传统半导体中进行磁性原子掺杂来获得，如分子束外延法[2]等。

一些磁性材料的居里温度甚至已经达到数百开尔文[3]，具备了实用基础。

同时，对稀磁半导体微观电子结构的研究工作[4]，也在不断加深人们对材料性质及其物理机制的认识。

稀磁半导体的研究主要集中在Ⅲ-Ⅴ族半导体以及Ⅱ-Ⅵ族半导体，而掺杂原子则有Mn、Co等[4]。

摘 要本文利用基于密度泛函理论的全势线性缀加平面波的方法，从理论上对N掺杂金红石TiO2，Co掺杂金红石TiO2，以及(N, Co)共掺杂金红石TiO2材料的磁性和光学性质进行了第一性原理的研究，对得到的理论结果进行了深入的分析与讨论。

（1）对于非磁性元素N掺杂金红石TiO2，计算选择了2×1×1的超原胞，共12μ。

磁性的主要来源是个原子，实现的掺杂浓度为12.5%，材料的总磁矩为0.960B由杂质原子N引起的，N p电子在禁带中引入了一个杂质能级，N s电子在价带中形成了一个深杂质能级。

N原子的掺入使材料的光学吸收能力在可见光范围内有较大的增加。

（2）对于磁性元素Co掺杂金红石TiO2，计算选择2×2×1的超原胞，共24个μ。

磁性的主要来源是原子，实现的掺杂浓度为12.5%，计算材料的总磁矩为1.03B由杂质原子Co引起的，Co的d电子的能带和总态密度费米面附近的能带非常相似。

由于杂质带的引入，禁带宽度减小，光学吸收区域红移，同时光学吸收能力在可见光区域增强。

（3）对于(Co, N)共掺杂金红石TiO2，计算选择2×2×1的超原胞，共24个原子，μ。

计算实现的N，Co的掺杂浓度分别为6.25%和12.5%，材料的总磁矩为0.916B发现杂质原子N和Co之间存在p-d杂化作用，导致能带在费米面附近出现劈裂，材料具有了类半金属的性质。

掺杂之后的禁带宽度减小，但是由于杂质原子间复杂的相互作用，光学吸收的能力在可见光区域反而比单纯Co掺杂要弱。

关键词：第一性原理密度泛函理论共掺杂态密度磁性质光学吸收AbstractThe magnetic and optical properties of N- and Co- doped rutile TiO2, together with (N, Co) co-doped rutile TiO2 have been investigated by first-principle, which were based on the full potential linearized augmented plane wave (FPLP) method within the density functional theory (DFT).The results are analyzed and discussed profoundly:(1) For the non-magnetic element N doped in TiO2, the 2×1×1 supercell containing 12 atoms is established, in which the doping concentration is 12.5%. The total magneticμ, which mainly originates from impurity atom N, since moment of the material is 0.960Bon the one hand, the electron which resides in p orbital yields an impuritical level in forbidden band, on the other hand, the electron which resides in s orbital brings into a deep impuritical level in valence band. In addition, the ability of optical absorption of TiO2 with doping N atom in the range of visible light is enhanced.(2) For the magnetic element Co doped in TiO2, we establish a 2×2×1 supercell containing 24 atoms, wherein the doping concentration is also 12.5%. The total magnetic μ,which is mainly attributed to the impuritical atom Co. It shows that the moment is 1.03Belectron localized in d orbital of Co atom is responsible for the total density of states in the fermi surface. Besides, the ability of optical absorption of TiO2 with doping Co atom in the range of visible light is also enhanced. Furthermore, the absorped wavelength becomes longer because of the emergence of the impuritical energy band, resulting in the reduce of the energy gap.(3) For the (Co, N) co-doped in TiO2, the 2×2×1 supercell containing 24 atoms is established, where the doping concentrations of N and Co are 6.25% and12.5%,μ.It respectively. Herein, we obtain the total magnetic moment with its value 0.916B presents half-metal-like property because of the existence of p-d orbitals hybridization between N and Co atoms, giving rise to the splitting of the energy bands near the Fermi level. Although the energy gap is reduced due to the appearance of the impuritical level,the ability of optical absorption in the region of visible light is weaker than Co doped in TiO2 purely because of the complex mutual interactions between the impuritical atoms.Keywords: First-Principle Density Functional Theory The Density of States Magnetic properties Optical absorption range Co-dope独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。