【国内论文】河北工程大学、西安稀有院、河北工职大、邢台学院、燕山大学：Co、N单掺杂及Co-N共掺杂对β-Ga₂O₃电子与光学性质影响的第一性原理研究

        由河北工程大学、西安稀有金属材料研究院有限公司、河北工业职业技术大学、邢台学院、燕山大学的研究团队在学术期刊 Journal of Physics and Chemistry of Solids 发布了一篇名为 First-principle investigation of Co, N, and Co-N co-doping effects on electronic and optical properties of β-Ga₂O₃（Co、N单掺杂及Co-N共掺杂对β-Ga₂O₃电子与光学性质影响的第一性原理研究）的文章。

        β-Ga₂O₃ 是性能优异的超宽禁带半导体，但本征导电性不足限制了其器件应用。掺杂是调控其光电性能的有效手段。目前针对 Co 单掺杂及 Co-N 共掺杂对 β-Ga₂O₃ 光电性质影响的系统理论研究仍较为缺乏。本文采用第一性原理计算，研究 Co、N 单掺杂及 Co-N 共掺杂对其电子结构、能带与光学性质的影响，为实验优化材料性能提供理论依据。

        Ga₂O₃ 是一种宽禁带半导体，具有五种不同物相，其中 β-Ga₂O₃ 是最稳定的相，相较于其他半导体材料具备诸多优异特性。为研究掺杂对其电子与光学性质的影响，且鉴于当前关于 Co 单掺杂及 Co-N 共掺杂对 β-Ga₂O₃ 光电性质影响的研究较为匮乏，本文采用第一性原理计算研究了 Co、N 单掺杂及 Co-N 共掺杂对 β-Ga₂O₃ 光电性质的作用，计算并分析了体系的几何结构、电子结构与光学性质。结果表明，Co 单掺杂与 Co-N 共掺杂模型均为热力学稳定结构；电子结构分析显示，相较于本征 β-Ga₂O₃，所有掺杂体系的禁带宽度均减小，其中 Co-N 共掺杂协同结合了 Co 与 N 单掺杂的优势，实现了比单独 Co 或 N 掺杂更显著的禁带宽度窄化；光学性质计算表明，Co-N 共掺杂可有效促使光吸收系数发生红移，表现出更宽的光吸收范围与更强的吸收强度。该研究成果可为实验研究者设计光学性能提升的 β-Ga₂O₃ 材料及开发高效光催化剂提供参考。

        ●首次系统开展 Co、N 单掺杂及 Co‑N 共掺杂 β‑Ga₂O₃ 的第一性原理对比研究，构建 12 种结构模型并完成稳定性与光电性质分析。

        ●证实 Co‑N 共掺杂可协同窄化带隙、引入杂质能级与中间能带，兼具 p 型掺杂特征与自旋极化特性。

        ●揭示 Co‑N 共掺杂显著拓宽光吸收范围并增强吸收强度，实现明显红移，为光催化与光伏应用提供优化路径。

        ●明确 Co 更易取代 Ga₂ 位、N 更易取代 O₃ 位，共掺杂可降低形成能、提升结构热力学稳定性。

        本文采用第一性原理计算方法，研究了 Co、N 单掺杂及 Co-N 共掺杂对 β-Ga₂O₃ 半导体材料光电性质的影响，研究了包括本征 β-Ga₂O₃ 及掺杂体系在内的 12 种不同模型。结果表明：

        （1）大部分掺杂构型均表现出热力学稳定性，Co 更易取代 Ga₂ 位；在 Co-N 共掺杂中，Co 取代 Ga₂ 位相较于取代 Ga₁ 位具有更优的热力学稳定性。

        （2）所有掺杂体系的禁带宽度均减小；N 单掺杂使价带顶与费米能级相交，表明 N 单掺杂使 β-Ga₂O₃ 呈现金属性且属于 p 型掺杂；Co 单掺杂引入中间能带并诱导能带自旋分裂，意味着 Co 单掺杂 β-Ga₂O₃ 在太阳能电池与自旋电子器件中具备应用潜力；Co-N 共掺杂结合了 N 单掺杂在费米能级处形成杂质能级、Co 单掺杂引入中间能带的优势，进一步减小了 β-Ga₂O₃ 的禁带宽度。

        （3）光学性能分析结果表明，Co-N 共掺杂可有效促使光谱红移，拥有更宽的光吸收范围与更强的吸收强度。

        本工作得到河北省高等学校科学研究项目（No. QN2023007）、河北省自然科学基金（E2023402114）的资助。

图 1 掺杂体系的结构模型：(a) 本征 β-Ga₂O₃；(b) Ga 位 Co 掺杂的 1×2×2 超晶胞 β-Ga₂O₃；(c) O 位 N 掺杂的 1×2×2 超晶胞 β-Ga₂O₃；(d) 含 Co_Ga1-N_O1、Co_Ga1-N_O2、Co_Ga1-N_O3 的 1×2×2 超晶胞 β-Ga₂O₃；(e) 含 Co_Ga2-N_O1、Co_Ga2-N_O2、Co_Ga2-N_O3 的 1×2×2 超晶胞 β-Ga₂O₃

图 2 结构优化后的部分键长：(a) 本征 β-Ga₂O₃；(b) O2 位 N 掺杂的 β-Ga₂O₃；(c) Ga2 位 Co 掺杂的 β-Ga₂O₃；(d) Co_Ga2-N_O2 共掺杂的 β-Ga₂O₃

图 3 电子局域函数 (ELF)：(a) 本征 β-Ga₂O₃；(b) O2 位 N 掺杂的 β-Ga₂O₃；(c) Ga2 位 Co 掺杂的 β-Ga₂O₃；(d) Co_Ga2-N_O2 共掺杂的 β-Ga₂O₃

图 4 电子密度分布：(a) 本征 β-Ga₂O₃；(b) O2 位 N 掺杂的 β-Ga₂O₃；(c) Ga2 位 Co 掺杂的 β-Ga₂O₃；(d) Co_Ga2-N_O2 共掺杂的 β-Ga₂O₃

图 5 12 种模型的计算能带结构：(a) 本征 β-Ga₂O₃；(b) O1 位 N 掺杂 β-Ga₂O₃；(c) O2 位 N 掺杂 β-Ga₂O₃；(d) O3 位 N 掺杂 β-Ga₂O₃；(e) Ga1 位 Co 掺杂 β-Ga₂O₃；(f) Ga2 位 Co 掺杂 β-Ga₂O₃；(g) Co_Ga1-N_O1；(h) Co_Ga1-N_O2；(i) Co_Ga1-N_O3；(j) Co_Ga2-N_O1；(k) Co_Ga2-N_O2；(l) Co_Ga2-N_O3

图 6 12 种模型的态密度 (DOS)：(a) 本征 β-Ga₂O₃；(b) O1 位 N 掺杂 β-Ga₂O₃；(c) O2 位 N 掺杂 β-Ga₂O₃；(d) O3 位 N 掺杂 β-Ga₂O₃；(e) Ga1 位 Co 掺杂 β-Ga₂O₃；(f) Ga2 位 Co 掺杂 β-Ga₂O₃；(g) Co_Ga1-N_O1；(h) Co_Ga1-N_O2；(i) Co_Ga1-N_O3；(j) Co_Ga2-N_O1；(k) Co_Ga2-N_O2；(l) Co_Ga2-N_O3

图 7 (a) 单掺杂体系的介电函数虚部曲线；(b) 共掺杂体系的介电函数虚部曲线

图 8 (a) 单掺杂体系的光吸收系数曲线；(b) 共掺杂体系的光吸收系数曲线

DOI：

doi.org/10.1016/j.jpcs.2026.113784