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.     

CO在（N，Fe）共掺杂锐钛矿TiO2（100）表面吸附的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法PBE＋U,研究了三类（N,Fe）共掺杂锐钛矿相TiO2（100）表面的稳定性及CO在最优掺杂表面的吸附,计算了最优表面不同掺杂位的结合能、吸附能、成键和电子结构．结果表明：CO在清洁TiO2（100）面及（N,Fe）非近邻掺杂表面的吸附较弱,（N,Fe）近邻共掺杂表面的吸附较强．通过吸附能的比较可知,N位吸附的吸附能最低,吸附最稳定,Fe位次之．由态密度可以看出,吸附方式的变化主要源于（N,Fe）表面近邻共掺杂改变了TiO2（100）面电子结构,使吸附位原子与C原子形成新的化学键．     

煤炭表面吸附甲烷的第一性原理研究

为了研究煤炭表面吸附甲烷的一般规律,从原子层面研究煤炭表面吸附甲烷分子的微观机理。先简化煤炭表面的分子模型,用Materials Studio软件建立煤体表面吸附甲烷的数值模型,用第一性原理方法的VASP软件计算了石墨烯在弛豫和非弛豫状态下吸附甲烷的电荷密度、吸附能等,同时计算了不同甲烷分子在石墨烯顶位和间隙位置的吸附能和态密度。计算结果表明:石墨烯吸附甲烷时,首选在C原子顶位吸附;吸附甲烷以后,石墨烯的导电性能消失,由导体变成了半导体或绝缘体;可以通过吸附以后的DOS图中能隙宽度预测吸附能的高低;随着吸附甲烷浓度的增大,体系吸附能逐渐降低,稳定性也降低。     

甲醛在本征和金掺杂石墨烯表面的吸附：第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了单个甲醛气体分子在本征石墨烯和金掺杂石墨烯基底上的吸附特性,探讨了单个甲醛分子吸附在本征石墨烯和金掺杂石墨烯稳定构型上的吸附能、磁矩变化、电荷转移、态密度及化学键变化。结果显示,与本征石墨烯相比,金原子掺杂石墨烯可提高石墨烯基底对甲醛分子的吸附能力,产生明显的磁矩变化,增加电荷转移能力。此外,态密度(DOS)分析结果表明,甲醛分子与金掺杂石墨烯基底之间存在轨道杂化。     

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.     

Bi,Se和Te吸附n/p型石墨烯电子结构研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了Bi,Se,Te在缺陷(单空位,B掺杂和N掺杂)石墨烯上的吸附结构及电子和磁性质.研究表明:在能量稳定的Bi(Se)/石墨烯吸附体系中,Bi吸附诱导产生磁性;在空位缺陷石墨烯上的吸附会改变费米能级处态密度分布,影响体系的导电性质;在B(N)掺杂吸附体系中,B比N对吸附原子的影响大;除Se在B掺杂石墨烯上吸附外,Bi,Se,Te在其它n/p型掺杂吸附体系中均显示磁性.缺陷增强了Bi,Se,Te与石墨烯之间的相互作用,对吸附体系的电子结构和电荷分布有较大的影响.     

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.     

MgO(001)表面掺杂过渡金属Au/Pt吸附CO的理论研究

采用密度泛函理论DFT/B3LYP方法研究掺杂了Au和Pt原子的MgO(001)表面吸附CO分子的吸附性质,通过对吸附体系的优化、能量和电子性质等的计算,结果表明,对于MgO完美表面,掺杂Pt比Au更容易吸附CO分子;在MgO(001)表面不同氧缺陷位(O5c/O4c/O3c),掺杂了Au和Pt原子后吸附CO分子的能力依次分别为:O_(3c)O_(5c)O_(4c)和O_(5c)O_(3c)O_(4c),掺杂了Pt原子的O5c位吸附能最低。可知Pt原子的掺杂及氧缺陷的MgO(001)表面,有利于吸附CO分子。     

Co掺杂对单斜LiMnO_2结构与性能的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究Co掺杂对单斜LiMnO2结构与性能的影响.结果表明:Co掺杂可缩短阴阳离子间的距离、抑制Jahn-Teller畸变、减小材料的绝缘带隙;掺杂体系中Co3+的电子组态为t62geg0,处于非自旋态,Mn3+的电子组态为t23geg1,处于高自旋态,由于过渡金属原子与氧原子间存在较强的共价相互作用,因此该掺杂体系并非理想的离子晶体.     

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.     

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.     

MgH_2储氢体系加氢反应机理的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了稀土和过渡元素替代对MgH_2储氢体系的加氢反应影响机理。研究发现氢原子可以在Mg表面形成稳定的吸附。稀土和过渡元素Fe,V,Ti,Nb,La替代Mg降低了H的吸附能,表明合金元素可以提高H在Mg表面吸附的稳定性。表面吸附体系稳定性由高到低的次序为:Nb,Fe,V,Ti,La掺杂Mg表面。电子结构及电荷布局分析结果表明,稀土La与H间电子耦合较弱;而过渡金属原子明显与H有较强的共价相互作用。H能稳定的吸附在Mg的表面,为H进一步向Mg体内扩散提供了条件,从而为Mg氢化生成MgH_2提供了H源。此外,吸附H也可能会与掺杂元素生成氢化物(如TiH2),这些氢化物也是Mg氢化生成MgH_2的催化剂。合金原子与H间存在的强的共价作用是提高MgH_2的加氢性能的决定原因。     

SrFe_(2-x)Ru_xAs_2中Ru掺杂引起的自旋密度波压制

利用第一性原理计算研究了超导母体材料SrFe2As2中用Ru原子替代Fe原子引起的自旋密度波压制.尽管Ru和Fe有相同的价电子结构,但是因为Ru的4d能带比Fe的3d能带更扩展,所以这种替代仍然能很明显的改变体系的能带、费米面等电子结构信息.通过第一性原理计算,我们发现在0 x 2的掺杂区域,材料的磁性相图可以分为3个区域:(Ⅰ)条纹状反铁磁态(0.0 x 0.6);(Ⅱ)低自旋态(0.6 x 1.0);(Ⅲ)非磁性态(1.0 x2.0).我们的理论计算结果不仅和实验结果非常完美的符合,同时能很好的解释随着Ru原子替代Fe原子,样品的自旋密度波被压制,超导开始出现.     

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。     

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.     

Fe掺杂ZnO纳米线电子性质和磁性质

本文采用第一性原理密度泛函理论系统地研究了Fe原子单掺杂和双掺杂ZnO纳米线的电子性质和磁性质.所有掺杂纳米线的形成能都比纯纳米线的形成能低,说明掺杂过程是放热的.计算结果显示Fe原子趋于占据纳米线表面位置.纳米线的总磁矩主要来源于Fe原子3d轨道的贡献.由于杂化,相邻的O原子也产生了少量自旋.在超原胞内,Fe、O原子磁矩平行排列,表明它们之间是铁磁耦合.表面掺杂纳米线显示出半导体特性,而中间掺杂纳米线显示出半金属性,在自旋电子学领域有广泛应用.     

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.     

Gd掺杂CeO2改性材料催化性能的理论研究

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,研究了一种新型改性催化材料—Gd掺杂Ce O2型催化剂,在燃料电池烃类燃料蒸汽重组反应过程中的催化性能.对比研究了3种掺杂比率下Ce1-xGdxO2(x=0,0.10,0.15)掺杂元素Gd对Ce O2的晶体相结构、氧缺陷形成过程以及表面积碳过程的影响.计算给出了相应掺杂比率下的氧缺陷形成能以及晶体表面吸附石墨烯的吸附能;结果表明:随着掺杂量的增大,氧缺陷形成能减小,晶体相对石墨烯的吸附能增大;分析掺杂前后改性催化材料的电子结构和原子结构的变化,说明Gd掺杂会导致Ce O2晶体表面结构畸变收缩,有效活化表面氧;同时利用化学平衡原理证明了Gd掺杂后的催化材料可以有效抑制表面碳沉积,从理论角度解释了改性催化材料在烃类燃料蒸汽重组反应过程中的作用机制.     

硼氮掺杂对锯齿形石墨烯纳米带影响的第一性原理研究

本文主要通过在密度泛函理论下的第一性原理计算方法,计算了硼氮掺杂下锯齿形石墨烯纳米带的形成能、能带结构和电子态密度,对掺杂产生的影响进行了分析和研究.研究发现具有硼氮成对的结构相对于单种类原子掺杂更稳定,同样具有在纳米带边缘非对称硼氮掺杂的结构较对称掺杂更稳定.硼氮掺杂能显著改变锯齿形石墨烯纳米带的能带结构,对边缘加氢数量不同的石墨烯纳米带的能隙有完全相反的影响.本文发现了两种通过硼氮掺杂具有自旋现象的结构.     

石墨烯吸附有机分子硝基苯性质的第一性原理研究

基于量子力学的第一性原理,我们计算了石墨烯吸附有机分子硝基苯的特性.在吸附体系中,吸附分子平面平行于石墨烯衬底时吸附能最大,同时此吸附导致衬底晶格微弱的膨胀.吸附分子平面垂直石墨烯吸附时,吸附能较小,且衬底晶格有微弱的收缩.由于硝基和石墨烯之间较强的相互作用,吸附结构的能带中出现明显的掺杂态.这说明了石墨烯可以作为有机分子硝基苯的化学传感器件之一.