基于第一性原理的甘氨酸氯化铜(GCC)及钆掺杂晶体电子结构与光电性能调控研究

本研究通过密度泛函理论(DFT)结合Quantum ESPRESSO软件，系统分析了纯甘氨酸氯化铜(C2H5NO2CuCl2)及Gd3+掺杂体系的结构、电子态和光电特性。发现Gd掺杂可将材料带隙从2.56eV调控至4.8eV，实现半导体到绝缘体的转变，其介电函数、折射率等光学参数与实验高度吻合，为量子计算、自旋电子学器件设计提供了理论依据。

　　

在探索新型功能材料的浪潮中，有机-无机杂化材料因其独特的量子效应和可调控性成为研究热点。甘氨酸氯化铜(GCC)作为典型的铜基配合物，其低维磁性结构和Cu²⁺的d电子特性在催化、生物传感等领域展现潜力，但如何精确调控其电子结构仍是难题。与此同时，稀土元素钆(Gd³⁺)因其7/2高自旋量子数和强自旋-轨道耦合，成为修饰材料磁光性能的理想掺杂剂。这项由国内研究人员开展的工作，通过第一性原理计算揭示了Gd掺杂对GCC晶体从半导体到绝缘体的转变机制，为开发新型光电器件提供了关键理论支撑。

研究团队采用密度泛函理论(DFT)框架下的Quantum ESPRESSO软件包，选用PBE-GGA泛函处理交换关联能，对纯GCC及5%-20% Gd掺杂体系进行建模。通过分析能带结构、态密度(TDOS)和光学参数矩阵，系统评估了掺杂对材料本征特性的影响。

晶体结构与形态
GCC晶体属四方晶系P4₂/mnm空间群，Cl₂簇形成三维配位网络，Cu²⁺与N₃/O₁原子构成平面四方配位。Gd³⁺掺杂后晶体保持原构型但引发晶格畸变，这种结构稳定性为后续性能调控奠定基础。

电子能带结构
未掺杂GCC呈现2.56eV直接带隙半导体特性，价带顶由Cu-3d与Cl-3p轨道杂化主导。引入Gd后，4f电子在费米面附近形成局域态，带隙展宽至4.8eV，TDOS分析证实体系转变为绝缘体。这种转变源于Gd³⁺的强电子关联效应和电荷重分布。

光电性能
介电函数虚部在3-5eV区出现特征峰，对应电子从O-2p向金属d轨道的跃迁。Gd掺杂使静态介电常数提升40%，折射率从2.1增至2.8。吸收谱显示掺杂后紫外区(300nm)吸收边蓝移，与带隙扩大趋势一致。光学导率在可见光区提高2个数量级，表明Gd: GCC更适合光电探测器应用。

这项研究通过理论计算与实验数据的相互验证，阐明Gd掺杂通过以下机制优化材料性能：(1) 4f电子引入使费米能级附近态密度重构；(2) 晶格畸变增强载流子局域化；(3) 自旋-轨道耦合改变光学跃迁选择定则。这些发现不仅为理解稀土掺杂对有机-无机杂化材料的影响提供范式，更指导了面向量子信息、磁制冷等应用的分子磁体设计。特别是Gd: GCC在4.8eV带隙下表现的高光学导率与介电响应，使其成为紫外光电探测器的潜在候选材料。该工作发表于《Next Research》，标志着计算材料学在功能分子设计领域取得重要突破。