Cu掺杂AlN的铁磁稳定性的第一性原理计算

文章采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势法,结合广义梯度近似计算了Cu掺杂AlN的晶格常数、能带结构、电子态密度、铁磁态和反铁磁态的总能量,并通过平均场近似的海森堡模型估算了居里温度Tc。结果表明,Cu掺杂体系的能带结构呈现半金属性,半金属能隙为0.442eV。铁磁性是Cu原子的3d态与其最近邻的N原子的2p态通过p-d杂化作用而稳定的。当两个Cu原子相距最远且自旋平行排列时,体系具有最低的能量,估算出此时的居里温度高于室温,因此Cu掺杂AlN有望作为稀磁半导体材料。     

掺Ni的AlN薄膜稀磁半导体的制备及磁性研究

采用射频磁控溅射的方法制备掺Ni的AlN薄膜Al1-xNixN(x=0.021、0.047、0.064、0.082),薄膜样品沿AlN(100)晶向生长.利用振动样品磁强计研究其磁性能,发现样品在室温下均具有铁磁性,随Ni掺杂量的增加,饱和磁矩先减小后增大,最大矫顽力达104Oe.结合X线光电子能谱分析,推断掺杂Ni原子进入AlN晶格取代了Al的位置,样品的铁磁性可以用Ni与相邻N原子之间的p-d杂化机制来解释.     

Fe、Co、Ni掺杂磷烯的第一性原理研究

本文基于第一性原理研究了Fe、Co、Ni在P位吸附和掺杂磷烯的稳定性、能带结构、态密度以及差分电荷密度分布.结果表明:在吸附体系中,Co在P位的吸附的稳定性强于Fe、Ni吸附体系;在掺杂体系中,Fe、Co、Ni在P位掺杂的的稳定性较强的是Ni掺杂体系.Fe、Co、Ni在P位吸附磷烯,可以较好的调控能带结构,从而得到可控性能的半导体材料.在P位掺杂Fe、Co、Ni原子的带隙值分别为0.52、0.56和0.4eV.在Fe、Co、Ni掺杂位点上,近邻的两个磷原子周围出现了电子聚集的现象;原因在于Fe、Co、Ni的4s轨道上都有两电子,而非金属的磷原子较容易得到电子.     

V掺杂AlN的电子结构和铁磁性质研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,对V掺杂AlN的电子结构和铁磁性质进行了研究.结果表明,V掺杂后,由于V 3d与N 2p轨道杂化在半导体能隙中产生自旋极化杂质带,材料表现出半金属铁磁性,其磁矩主要来自以V原子为中心的VN4四面体.另外,通过对V掺杂AlN的铁磁稳定性的研究发现,V原子之间为铁磁耦合时体系处于稳定的基态,并且有围绕N原子形成团簇的趋势,随着V原子间距离的增加,体系FM和AFM态的能量将趋于简并.     

掺杂氮化铝中局域磁矩的第一性原理计算

理想的稀磁半导体具有良好的室温铁磁性,氮化铝(AlN)稀磁半导体虽然具有宽的带隙和透光性,但由实验重复性差等原因,一直未得到广泛的应用.采用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算掺杂硼(B)的AlN中局域磁矩的变化规律.通过分析电子结构发现,掺杂B后的AlN稀磁半导体中出现了明显的局域磁矩,其大小为2μB.     

过渡金属掺杂MgH_2的结构和磁性的第一性原理研究

为研究过渡金属掺杂对氢化物铁磁性的影响,采用密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,以Mg H2为基本材料,以过渡金属(V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni)元素替代2×1×2超晶胞中的Mg原子建立掺杂模型Mg1-xMxH2(M=V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni),并计算模型自旋极化的磁性、能带结构和态密度等性质.结果表明:与Mg H2中的Mg—H键相比,过渡金属M(M=V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni)—H间的相互作用明显增强,造成Mg—H间强烈的离子键和部分共价键的相互作用随着过渡金属的掺杂而被削弱.掺杂体系中,V和Cr是受主杂质,而Mn、Co和Ni体系中,自旋极化率相对较低,且穿过费米能级的子带的斜率较低.研究表明过渡金属(V、Cr、Mn、Co和Ni)掺杂的Mg H2体系虽然可以导电,但电导率较小,具有比较稳定的半金属性.     

Fe掺杂SiC纳米管的电子结构和磁性

采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理方法,在局域自旋密度近似下,系统研究了Fe掺杂SiC纳米管电子结构和磁性.计算结果显示用Fe替代C时SiC纳米管显示反铁磁性,而Fe替代Si却出现铁磁性特征,是一种半金属磁性材料.形成能计算结果显示铁磁性结构比反铁磁性结构低3.2eV,Fe原子更容易替代Si原子,两种掺杂的基态都诱发了自旋极化现象.同时,掺杂的Fe原子都向管外发生了一定的弛豫,Fe替代C掺杂发生了较大的几何畸变,但掺杂并未破坏SiC纳米管整体几何结构.能带结构和态密度计算显示在费米能级附近出现了更多弥散的能级分布,特别是Fe替代Si出现了明显的自旋劈裂现象,发生了强烈的p-d杂化效应,自旋电子态密度的计算结果揭示磁矩主要来源于Fe原子未成对3d电子的贡献.这些结果表明过渡金属掺杂SiC纳米管也许是一种很有前途的磁性材料.     

Co和Ag掺杂对TiO2的改性作用研究

利用基于密度泛函理论和平面波赝势的第一性原理计算方法,研究Co和Ag分别掺杂金红石型TiO2的电子结构与磁性能.结果表明,Co原子掺杂TiO2后,掺杂原子沿c轴排列时体系最稳定,同时表现出铁磁性.Ag和Co的掺杂都对TiO2的能带结构产生影响,从而减小了带隙.研究结果可望用于优化设计具有稀磁半导特性和可见光催化特性的复合功能材料.     

Pd(Rh)掺杂AlN电子结构和磁性的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了Pd(Rh)掺杂Al N的磁性和电子结构,一个Pd(Rh)掺杂2×2×2 Al N超胞之后,其磁矩分别为2.98(2.0)μB每个超胞.能带结构表明Pd(Rh)掺杂Al N都是半金属.当用两个原子替代计算磁性能时,发现Pd掺杂Al N基态都是反铁磁排列,而Rh掺杂Al N会表现出铁磁性.Rh掺杂Al N的铁磁性可以用p-d杂化相互作用机制来解释.     

掺杂硫化铅体系的电子性质研究

基于密度泛函理论和广义梯度近似,对掺杂PbS体系进行了电子性质的第一性原理计算. 首先,对恒定掺杂浓度(6.25%)时3种替换杂质(Cd、Sn、Sb)不同掺杂位置的形成能进行比较分析,得到了最稳定的掺杂结构. 然后,计算不同掺杂体系的能带结构,能带结构发生了平移,带隙随掺杂原子序数单调递减. 最后,研究掺杂前后光学性质,光学性质的显著变化出现在Sb掺杂的PbS体系中,主要包括介电光谱下杂质峰的出现、相关红移现象以及掺杂后吸收谱能带边缘的拓展. 同时,Cd掺杂PbS介电光谱的反射峰最小.     

Mg、Cd掺杂AlN电子结构的第一性原理计算

基于密度泛函理论（DFT）框架下的第一性原理的平面波超软赝势方法（USPP）,对Mg，Cd掺杂AlN的32原子超原胞体系进行了几何结构优化，从理论上给出了掺杂和 掺杂体系的晶体结构参数.计算了掺杂AlN晶体的结合能，电子态密度，差分电荷密度，并对计算结果进行了细致的分析.计算结果表明，相对于Cd，Mg在AlN晶体中可以提供更多的空穴，有利于形成更好的p型电导.     

过渡金属掺杂ZnO纳米线结构、电子性质和磁性质

本文采用密度泛函理论系统地研究了过渡金属原子Co和Ni单掺杂和双掺杂ZnO纳米线的结构、电子性质和磁性质.所有掺杂纳米线的束缚能都为负值,表明掺杂过程是放热的. Co原子趋于占据纳米线中间位置,而Ni原子趋于占据纳米线表面位置.所有掺杂纳米线能隙都小于纯纳米线能隙,并显示出直接带隙半导体特性.纳米线的总磁矩主要来源于磁性原子的贡献. Co掺杂纳米线出现了铁磁和反铁磁两种耦合状态;而Ni掺杂纳米线出现了铁磁、反铁磁和顺磁三种耦合状态.     

H2在Mg(0001)和M(Sc～Zn)/Mg(0001)表面吸附、脱附性能研究

采用密度泛函方法,对H2在Mg(0001)及掺杂一系列的过渡金属的Mg表面的吸附行为进行了研究.结果表明,H2在Mg(0001),Fe,Co,Cu和Zn掺杂的Mg表面只存在物理吸附;在Sc,Ti,V,Cr,Mn和Ni掺杂的Mg表面时物理吸附和化学吸附都存在.H2在M(Sc～Zn)掺杂Mg表面解离的能垒均低于Mg(0001)表面.解离后的H原子易化学吸附在以下3种邻近的空位:Fe掺杂Mg表面的fcc-hcp1位;Ni掺杂Mg表面的hcp-hcp位;其余掺杂Mg表面的fcc-fcc位.计算结果显示,Ti,V,Cr,Mn,Ni掺杂在Mg表面可有效改善H2的吸附与解离性能.     

Ni掺杂ZnO的结构、光学和磁学性质

利用溶胶-凝胶法制备了Zn1-xNixO(x=0.1 %,0.4 %,0.7 %,1.0 %)粉末,研究了样品的结构、光学和磁学性质.X射线衍射表明所有样品都具有纤锌矿结构,没有发现第2相.随着掺杂量的增加c轴晶格常数变小.X射线光电子能谱显示样品中的Ni离子处于+2价态.由紫外可见光吸收谱发现,随着掺杂量的增加能隙逐渐变小,证实了Ni2+对Zn2+的替代.由光致发光谱发现,在390 nm附近出现了由于近带边自由激子复合引起的紫外峰和以467 nm为中心宽带深能级发光带组成的由缺陷引起的较宽的蓝光.磁化强度测量表明,样品具有室温铁磁性,且随着掺杂浓度的增加,饱和磁化强度增加.当掺杂量为1.0 %时饱和磁化强度最大为0.076 μB/Ni.     

镍掺杂单壁碳纳米管阵列储氢的理论研究

采用巨正则蒙特卡罗方法研究常温和中等压强下镍掺杂对单壁碳纳米管阵列物理吸附储氢的影响.计算结果表明,同碱金属掺杂相比,过渡金属原子的d轨道与碳原子的p轨道之间发生的轨道杂化,能更有效地提高镍掺杂SWCNTA的储氢效果.     

过渡金属掺杂对γ′-Fe_4N的热稳定性和磁性的影响

利用第一性原理密度泛函理论,对不同过渡金属M(M=Mn,Co,Ni)掺杂γ′-Fe4N的结构进行焓值计算.结果表明:以MnFe3N/Fe2,CoFe3N/Fe2和NiFe3N/Fe1为掺杂结构的能量最稳定,且均呈铁磁性;掺杂过渡金属元素的原子序数越小,体系的能量越低,材料的结构越稳定;随着压强的增加,掺杂元素替代面心不等价Fe位可有效减小压强对材料磁性的影响,使材料在更大压强区间内保持强铁磁性,衰减速率相对较低.     

掺杂对Al(111)面氧分子吸附性能影响

为了揭示掺杂对Al(111)面O2吸附性能影响规律。采用基于密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）的第一性原理计算方法，通过构建模型以及设置计算参数，计算得到了不同O原子覆盖度下Ni、Mn、Si掺杂对应Al(111)面吸附O2的吸附能、功函、Bader电荷、差分电荷密度、以及态密度。研究表明：当氧原子覆盖度较低情况下，纯铝表面吸附能绝对值最大，转移电子数最多，原子之间存在相互作用并主要由最外层电子轨道决定。当氧原子覆盖度增大至3/8时，掺杂表面吸附能大于纯铝表面，掺杂促进了Al(111)面吸附氧分子。结果表明：Al(111)面吸附氧分子的能力不仅与掺杂元素有关，还与各表面O原子的覆盖度有关，当O原子覆盖度较低时，Mn、Si、Ni掺杂抑制了O2吸附，当覆盖度较高时，Ni、Mn、Si掺杂促进了O2吸附。     

稀土掺杂氮化铝稀磁半导体纳米颗粒的高压相变研究

利用金刚石对顶砧和原位角散高压同步辐射X射线衍射技术,对电弧法制备的、稀土元素钪和钇掺杂的氮化铝(AlN)纳米颗粒进行了最高压力分别为51.29 GPa和33.80 GPa的高压相变研究.实验结果表明:钪和钇掺杂的AlN分别在压力为20.09 GPa和19.70 GPa时发生由六方纤锌矿结构向立方岩盐矿结构的转变,在压力分别为28.12 GPa和28.60 GPa时完全转变为立方岩盐矿结构;卸压后,岩盐矿结构保留下来,相变过程不可逆.通过对比研究我们发现,相同制备条件、相同形貌和尺寸的两个样品的相变点较之AlN纳米线均有所降低,高于AlN纳米晶,接近于AlN体材料,相变开始到结束的时间间隔缩短.对比两个实验结果,掺杂具有大离子半径的钇的样品相变点低于掺杂离子半径较小的钪的样品.结合原位角散高压X射线衍射研究结果,我们认为掺杂引起相变点降低是由于掺杂后引入的杂质离子及其诱导产生的铝空位导致AlN晶格结构畸变进而降低了掺杂AlN晶体结构的稳定性.     

夹心双核茂合物Cp2M2(M=Zn/Cu/Ni)几何和电子结构的第一性原理研究

使用基于密度泛函理论(DFT)的DMOL3程序包,研究了双金属茂合物Cp2M2(M=Zn/Cu/Ni)的几何结构及电子结构。结果表明:不同夹心原子对体系几何结构的影响微弱;Zn/Cu/Ni茂合物的电子局域态密度(LDOS)在费米能级(Ef)处起主要作用的是d轨道电子;随夹心原子Zn/Cu/Ni原子序数的降低Zn/Cu/Ni茂合物最低非占据轨道和最高占据轨道的差值(LUMO-HOMO)逐渐降低。