四价离子M（M=Mn,Pr,Sn,Zr,Se,Te）掺杂对CeO_2氧化还原性能的影响

于考虑了Ce-4f电子之间强关联作用PBE＋U方案,采用第一性原理计算方法系统研究了掺杂Mn,Pr,Sn,Zr,Se和Te等对CeO2原子结构、电子结构和还原性能影响.针对形氧空位后掺杂离子对体系中电子转移影响,提出了两种不同制：对于Zr,Se和Te等掺杂CeO2,氧空位形能的降低主要是受到氧空位形后结构扭曲影响;而对于Mn,Pr和Sn等掺杂体系,氧空位形能受到结构扭曲和电子转移双重影响,因此,氧空位形后电子首先转移到掺杂离子上而不是通常的Ce4＋上.研究发现,当四价掺杂离子到电子后最外层电子全满或半满结构时,氧空位形时所产生的电子会优先转移到掺杂离子上.     

多空位缺陷和硼氮杂质对锯齿型石墨烯纳米带电子结构的影响

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究多空位缺陷和掺杂对对称性锯齿型石墨烯纳米带(ZGNRs)的电子结构的影响.研究结果表明,具有相同位置的多空位缺陷或氮掺杂的对称性ZGNR显示了半金属特性,而硼掺杂的对称性ZGNR显示了半导体性质.石墨烯纳米带的锯齿形边缘上和空位缺陷处都存在自旋极化的电子态,并且边缘上电子自旋呈反铁磁性排列.具有多空位缺陷的ZGNR磁矩依赖于带宽、空位缺陷的构型以及空位缺陷与边缘的距离,从而磁矩随着带宽的增加呈现震荡效应.这种特殊的缺陷和掺杂效应可用来设计新颖的自旋电子器件.     

改性石墨烯HCN气敏特性的第一性原理研究

为了寻求高灵敏度的石墨烯基的HCN气体传感器,采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法系统地研究了纯净石墨烯(PG)、单空位缺陷石墨烯(SVG)及14种元素Li、B、N、Mg、Al、S、Ca、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Pt替位掺杂石墨烯(XG)对HCN气体分子的吸附和气敏特性.研究结果表明,HCN分子和PG、BG、NG、SG间由于较小的吸附能和较大的吸附距离而隶属于较弱的物理吸附,且该分子的吸附未能引起费米能级附近态密度的变化,故上述基底对HCN分子吸附的敏感性差;单空位缺陷的引入尽管增大了基底与HCN分子间的结合,但分子吸附前后体系的电子结构几乎不变;HCN分子化学吸附于LiG、MgG、AlG、CaG、TiG、CrG、MnG、FeG、CoG、NiG和PtG.其中该分子的吸附导致LiG从金属过渡到半导体,MnG从半金属过渡到半导体,可见电导率明显减小,而其他基底仍旧保持原来的性质.因此,LiG和MnG更适合作为检测HCN分子的石墨烯基底.该研究将为设计新型石墨烯气体传感器提供理论参考.     

氢吸附对新型的类石墨烯BN结构电子性质的影响

采用半金属元素硼(B)和氮(N)替代石墨烯中的碳元素(C)位置,构建了一个类石墨烯的结构,然后让氢原子分别吸附在B和N正上方形成一类复合材料.通过第一性原理的电子结构计算给出了此类体系的能带图、态密度图以及电荷分布情况.发现H吸附位的不同对材料的物理性能影响很大,其中在B和N构建的类石墨烯结构中,B原子正上方的H吸附位复合材料为无能隙自旋半导体材料,H原子的吸附改变了各个原子轨道的贡献比,并且在母材料中引入了自旋极化,从而形成了一类自旋极化的磁性材料.     

空位缺陷掺杂单层MoTe2的研究

采用基于密度泛函理论的电子结构计算软件包Atomistix Tool Kit(ATK),研究了缺陷掺杂的单层MoTe_2,计算了五种单空位缺陷的原子结构和3%～12.5%浓度范围内的形成能,分析了空位浓度对单层MoTe_2相变的影响.研究结果表明Te空位的形成能比Mo空位的低,调节Te空位的浓度能实现单层MoTe_2的1H和1T′相之间的相互转变.     

拓扑绝缘体Sb_2Te_3和Bi_2Te_2Se薄膜电子结构的第一性原理研究

为理解拓扑绝缘体纳米薄膜的电子性质,采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法系统研究拓扑绝缘体Sb2Te3和Bi2Te2Se密排面(0115)薄膜由1层增加到5层的电子结构。通过计算发现对于Sb2Te3密排面(0115)薄膜,随着薄膜层数递增,G点的能隙逐渐减小,当膜厚为5层时,薄膜表现出金属态;Bi2Te2Se密排面(0115)薄膜电子结构也表现出类似的特性。研究结果表明:随着薄膜厚度的增加,Sb2Te3和Bi2Te2Se(0115)薄膜不具有体材料绝缘性,却表现出拓朴绝缘体表面无能隙的金属性。     

N/Fe共掺杂锐钛矿TiO_2(001)面协同作用的第一性原理研究

基于周期性密度泛函理论,本文研究了Fe在锐钛矿TiO2(001)面吸附、替位掺杂及晶隙掺杂,以及N在Fe/TiO2(001)稳定结构上的吸附及掺杂.讨论了不同掺杂后晶体稳定结构、形成能、能带结构及态密度的变化.为与表面氧空位进行对比,计算了氧空位存在下TiO2(001)面的能带结构.通过形成能的比较可以发现,Fe原子更倾向于掺杂在晶体(001)表面晶隙,N则倾向于吸附在Fe顶部,并形成稳定的N-Fe键.通过对电子结构的分析发现:稳定的N-Fe共吸附形式,使得TiO2呈现出金属性,有利于其催化氧化性能的提升.     

掺杂Pt/Pd石墨烯体系的气体吸附性

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,计算分析了Pt/Pd 2种过渡金属元素掺杂的石墨烯吸附O2和CO体系的原子和电子结构,对本征石墨烯和掺杂后石墨烯体系吸附气体的吸附能、电荷转移、能带结构和电子态密度进行分析对比.由掺杂前后的结果分析发现,本征石墨烯吸附气体时的吸附能与电荷转移都较小,Pt/Pd原子的掺杂使吸附体系的吸附能和电荷转移显著增大.由于基态Pt原子核外电子d轨道未满,费米能级附近电子态密度较高,而Pd原子核外电子d轨道全满,掺杂Pt原子的石墨烯体系吸附能、电荷转移都比掺杂Pd原子的石墨烯体系大,掺杂Pt原子改善石墨烯气敏性能.     

B、N共掺杂单层石墨烯电子结构和导电性能

利用密度泛函理论研究方法对B、N原子以邻、间、对位等3种不同的相对位置以相同的比例(12.5%)共掺杂单层石墨烯的电子结构进行研究,分别计算共掺杂结构的能带结构、态密度、电荷密度和电荷差分密度等。结果表明:B、N原子共掺杂石墨烯的价带和导带之间出现直接带隙,而且价带电子轨道和导带空轨道分布更靠近费米能级,共掺杂石墨烯可同时作为电子的供体和受体,间位共掺杂结构的带隙值最小(1.296eV).在共掺杂结构的电荷重新分布过程中,B、C和N间的互相杂化和电荷的转移主要发生在各原子的2p轨道,其中B-C原子杂化轨道分布更靠近费米能级,C-N原子杂化轨道能分布在较低的能量区间。     

含氧空位锐钛矿表面的非金属杂质对其吸附NH_3特性的影响

【目的】金属氧化物光学气敏材料可用来灵敏检测环境气体成分及浓度,而对这一材料的掺杂是改善其光学气敏特性的一种重要途径。【方法】基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,模拟计算了含氧空位锐钛矿TiO_2(101)表面掺杂非金属C、N、F对NH_3分子吸附,对掺杂后锐钛矿TiO_2(101)表面结构的稳定性、NH_3分子吸附后表面结构的稳定性、态密度、电荷分布、差分电荷密度、光学性质给以理论分析。【结果】分析发现:非金属杂质C,N,F易掺杂于有氧空位的TiO_2(101)表面,且有基底的稳定性从大到小依次为C,N,F;杂质元素掺杂于基底表面提高了基底表面氧空位的氧化性,更有助于NH_3分子的吸附,且杂质元素对基底氧空位氧化性的贡献从小到大依次为C,N,F;通过态密度和光学性质分析,NH_3分子吸附在C和N掺杂于含氧空位TiO_2(101)基底表面相对于无掺杂含氧空位TiO_2(101)基底表面降低了材料在可见光范围内的利用率;而吸附在F元素掺杂于含氧空位TiO_2(101)基底表面对可见光范围内的利用率相对于吸附在无掺杂含氧空位TiO_2(101)基底表面的利用率提高了5倍。【结论】掺杂F元素显著的提高了材料的光学气敏传感能力。     

SAC-CI方法对H_2Se和H_2Te电离态的理论计算

采用对称匹配组态相互作用(SAC-C I)方法研究了H2Se和H2Te的电离态,结合H2Se+和H2Te+对这些电离态进行了指认.计算和指认结果表明,H2Se和H2Te分子的外层分子轨道是量子数n不同的相同分子轨道a1,b2,a1,b1;单极子强度较大而能量较低的电离态12B1,12A1,12B2,22A1为H2Se+和H2Te+的电子基态和激发态,能量较高的电离态为H2Se+和H2Te+的高激发态;在电子的跃迁和电离过程中,能量较低的四个电离态的形成主要是单电子过程,而能量较高的电离态其形成过程主要是两电子过程.其中许多能量较高的电离态的形成具有2h1p的特征.计算结果与实验数据比较表明,SAC-C I理论值与实验值吻合很好.     

石墨烯上吸附金原子团的电子结构性能研究

金属原子吸附于石墨烯上可以改善石墨烯的物理性能.本文采用第一性原理研究石墨烯上吸附不同数目,不同结构的金原子团.研究发现,比起单原子吸附,石墨烯表面更容易吸附多个金原子.线性型吸附结构的原子间相互作用大,吸附能比其他结构有所增加,电荷转移量大,体系更稳定.体系的磁性大小也与吸附结构相关,直线型吸附结构无磁性,且吸附结构越不对称,净磁矩越大.研究表明,吸附不同结构的Au原子团,可以改变石墨烯本身的能带结构,使其具有金属性或者半导体性的电子性能,具有广泛的应用领域.     

化学镀Zn对n型Bi2Te2.4Se0.6合金热电性能的影响

为了研究化学镀Zn对n型Bi2Te2.4Se0.6材料的热电性能的影响及作用机制,采用化学镀法制备n型Zn/Bi2Te2.4Se0.6纳米粉体,并结合放电等离子烧结烧制成块体材料,n型Zn/Bi2Te2.4Se0.6热电材料的Seebeck系数(SS)提升,热导率显著降低,其中0.15％Zn/Bi2Te24Se06的热导率最低,在371 K达到最小值0.74 W/(m·K),这是由于载流子浓度的降低引起电子热导减小,以及第二相和晶界增多引起声子散射造成晶格热导降低.结果表明,0.15％Zn/Bi2Te2.4Se0.6的热电优值(ZT)有很大的提升,在421 K达到1.06.     

常压下Se和Te电子结构和弹性性质的第一性原理计算

利用基于密度泛函的第一性原理, 计算ⅥA族元素Se和Te在常压下的能带结构、 电子态密度、 弹性系数和德拜温度. 能带结构和电子态密度的计算结果表明: Se为间接带隙半导体,  Se费米面附近的导带和价带主要来自外层4p⁴电子的贡献, 4s²电子对费米面附近的导带和价带贡献较少; Te为直接带隙半导体, Te费米面附近的导带和价带主要来自外层5p⁴电子的贡献, 5s²电子对费米面附近的导带和价带贡献较少.  弹性系数计算结果表明: 常压下具有六角结构的Se和Te的力学性质稳定;  其德拜温度分别为263 K和315 K.      

非磁性/磁性掺杂剂对SnO2体系的性能调控

本文通过第一性原理计算在GGA + U 框架下系统地研究了非磁性掺杂剂(Li)和磁性掺杂剂(V)以及相应的点缺陷(VO/VSn)掺杂SnO2基稀磁半导体(DMS)的稳定性、电子结构、键合性质、磁性以及光学性质. 计算得到的形成能结果表明, V元素单掺杂体系比Li元素单掺杂体系更稳定. 其中, VO存在的掺杂体系稳定性更高, 而VSn对掺杂体系的稳定性不利. 磁性分析表明, Li掺杂体系的磁矩大于V掺杂体系的磁矩. 当有点缺陷存在时, VSn的加入显著提高了掺杂体系的磁性, 而VO对非磁性金属元素/磁性金属元素掺杂体系的磁性影响不同：当VO存在于Li掺杂体系时, Li原子周围的O原子自旋极化减少, 因此导致磁矩降低;当V掺杂体系中有VO存在, 磁性不仅来源于V原子的自旋极化, 同时来源于VO周围的O原子的自旋极化,因此磁矩增大. 结合电子结构分析可知, Li掺杂体系的磁性是由O-p和Li-p轨道之间的双交换作用产生的, V掺杂体系的磁性是由O-p和V-d轨道之间的双交换作用产生的. 键合分析发现VO的存在可以提高两种金属掺杂体系键(Li-O和V-O)的共价性. 在可见光区域内, Sn15LiO32和Sn15VO32具有较高的光学透明度. 以上这些结果为非磁性金属元素(Li)和磁性金属元素(V)及相应的点缺陷(VO/VSn)掺杂SnO2在自旋电子器件中的应用提供了新的思路.     

半金属元素掺杂TiN的第一性原理研究

基于密度泛函数理论，采用广义梯度近似方法，对半金属元素原子X（X=B、Si、Ge、As、Sb和Te）掺杂TiN体系的平衡晶格常数和电子结构等进行第一性原理计算，并对掺杂前后的电子态分布变化和形成能进行分析计算．结果表明：掺杂体系中主要的电子贡献仍是N2p态和Ti3d态，随着半金属元素B、Si、Ge、As、Sb和Te的掺入，TiN掺杂体系的导电性能有所提高，但并未超过纯净TiN体系；同时由形成能的计算证明Si掺杂体系最容易达到稳定结构，而Te掺杂是最不稳定的体系．     

Hydrogen induced room-temperature ferromagnetism in Co-doped ZnO: first-principles and Monte Carlo study

The structural stability, vibrational and magnetic properties of hydrogen doped ZnO：Co have been studied by first-principles calculations based on density functional theory. Bond-center （BC） sites were identified to be most stable sites for hydrogen, the corresponding vibrational frequencies including anharmonic contributions were calculated. Its magnetic properties were investigated as well. The calculated results reveal that hydrogen could induce the change of electronic transfer, leading to a decrease of magnetic moment. However, the magnetic coupling between Co atoms is greatly strengthen. The results simulated by Monte Carlo method indicate that hydrogen can induce the Curie temperature to increase from 200 to 300 K.     

钙钛矿结构材料SrHfO3的电子结构研究

在密度泛函理论框架下首先用局域自旋密度近似（LSDA）方法,研究了具有钙钛矿结构的材料SrHfO3的电子结构,发现Sr显示比较明显的离子特性,Hf和O之间由于杂化形成了共价键.得到该化合物的带隙为1.54 eV,磁矩为零.考虑Hf 5d局域电子之间的在位库仑相互作用（即采用LSDA＋U方法进行计算）后,磁矩依然为零,但态密度分布有明显的改变.计算结果表明,该材料中Hf 5d之间的在位库仑相互作用U为8.0 eV.     

Ni_2MnIn合金电子结构和微观磁性的第一原理计算

利用基于密度泛函理论的第一原理赝势法,研究了Ni2MnIn合金Heusler结构和四方马氏体结构的晶体结构参数、电子结构及微观磁性特征.通过对能带、各原子轨道磁矩和分波态密度(PDOS)的计算分析,发现二种结构中各原子的原子轨道磁矩、元胞轨道磁矩、元胞体积均变化不明显,两相均具有明显自旋极化现象.计算表明:四方马氏体相变导致Ni2MnIn元胞费米能下降0.495eV;Ni2MnIn结构中,In原子具有弱抗磁性,晶胞磁矩为Mn原子轨道磁矩所主导,约占元胞总轨道磁矩85%,Ni原子轨道磁矩贡献约占元胞总轨道磁矩15%.理论计算结果与其他理论值进行了对比.     

Microstructure and phase composition of hypoeutectic Te–Bi alloy as evaporation source for photoelectric cathode

A hypoeutectic 60Te–40Bi alloy in mass percent was designed as a tellurium atom evaporation source instead of pure tellurium for an ultraviolet detection photocathode. The alloy was prepared by slow solidification at about 10-2 K·s-1. The microstructure, crystal structure, chemical composition, and crystallographic orientation of each phase in the as-prepared alloy were investigated by optical microscopy, scanning electron microscopy, X-ray diffraction, electron backscatter diffraction, and transmission electron microscopy. The experimental results suggest that the as-prepared 60Te–40Bi alloy consists of primary Bi₂Te₃ and eutectic Bi₂Te₃/Te phases. The primary Bi₂Te₃ phase has the characteristics of faceted growth. The eutectic Bi₂Te₃ phase is encased by the eutectic Te phase in the eutectic structure. The purity of the eutectic Te phase reaches 100wt% owing to the slow solidification. In the eutectic phases, the crystallographic orientation relationship between Bi₂Te₃ and Te is confirmed as [0001]_Bi2Te3//[1213]_Te and the direction of Te phase parallel to [1120]_Bi2Te3 is deviated by 18° from N(2111)_Te.