多孔硅吸附性能的量子化学研究

用量子化学方法中的密度泛函理论,在B3LYP/6-31G(d)水平上,采用模型化学方法和Gaussion03程序,计算由不同数目硅原子组成的一维量子线模型和二维网状模型分别吸附氢原子、氧原子、氧分子、硝酸根和高氯酸根的模型进行计算,考察各模型吸附前后的电子状态、能隙、原子电荷、键强等因素,计算结果表明:在吸附有不同原子、分子的多孔硅表面上,表面硅原子与内层硅原子间的化学键均被削弱,对于解释多孔硅的发光和爆炸性质有一定的理论指导意义.     

硅基低维结构的电子态和光学性质

Canham的文章发表以后，引起了世界范围的研究热潮，目的是实现硅基的集成光电子技术．其中一个主要的研究方向是多孔硅的发光机制．根据各自的实验结果提出了不同的模型：量子限制、表面态复合、硅氧烷及其衍生物、以及声子辅助跃迁等．同时开始了理论计算，方法包括：紧束缚、经验赝势、和基于局域密度泛函的第一原理方法等．大部分理论计算研究的是量子限制对多孔硅和纳米硅晶发光的效应．计算得到的辐射寿命比直接能隙GaAs中激子的长得多，说明量子限制不能完全解释多孔硅的高发光效率．提出了一个经验赝势的同质结模型来计算多孔硅和纳米硅晶的电子结构．多孔硅的波函数用一组体Si波函数展开，它们的波矢满足周期性边界条件．利用简并微扰论计算了S量子线、量子孔、量子阱层和棱柱晶粒的电子态和光跃迁几率(寿命)．用紧束缚集团模型研究了表面键饱和对Si纳米晶体发光的效应．取表面Si原子的悬键与吸附原子之间的相互作用能量Vs为不同的值，代表不同的吸附原子．发现当Vs的绝对值变小时，能隙减小，同时跃迁几率增加约2个数量级．     

S掺杂锐钛矿TiO_2电子结构的第一性原理研究

对完整锐钛矿TiO2晶体及S掺杂锐钛矿TiO2晶体电子结构进行了基于密度泛函理论的第一性原理研究.通过对能带、态密度的分析,发现在S掺杂后,O原子,S原子与Ti原子在导带区发生了强烈的相互关联作用,致使Ti原子3d轨道上的电子向S原子的3p轨道,O原子的2p轨道移动,使得导带向低能区移动,从而使TiO2的禁带宽度变小,吸收边红移.从而揭示了S掺杂导致锐钛矿TiO2晶体禁带宽度变小的机理.理论计算与实验结果基本相符.     

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.     

碳硅原子链电子输运性质的理论计算

以C-Si-C-Si直线原子链与Au(100)-3×3电极耦合所构成的纳米结点为研究对象,用密度泛函理论结合非平衡格林函数的方法,对结点的电子输运进行了理论模拟.计算结果得到:当2电极距离为1.686 nm时,纳米结点体系总能量最低,结构最稳定,C-Si平均键长为0.166 nm,此时结点的透射系数为0.627,平衡电导为0.627 G_0,电子传输通道主要由碳、硅原子的p电子轨道形成的π键所构成;在电压为0～1.0 V时,纳米结点稳定结构的电导随着外偏压的增大而减小.     

含硅聚炔分子链的电子结构特性

采用量子化学从头算方法对硅基取代型聚炔分子链的电子结构进行了理论计算.基本构型为硅原子取代碳-碳三键中的碳原子(Si—C≡C—),分子链的单元数从1到12;研究了不同长度分子链的能带结构、带隙宽度、前线轨道以及加入电荷对分子链性质的影响;探讨了结构与性能之间的关系及物理性质的微观机理.     

杂多阴离子[P2Mo5O23]6-的稳定结构和电子性质DFT比较研究

运用量子化学密度泛函理论(DFT)的BP86,BP91,BLYP方法系统优化[P2Mo5O23]6-杂多阴离子几何结构,并对该杂多阴离子电子性质进行分析比较.计算结果表明:三种方法几何优化结果与实验数据均具有一致性,其中BP86方法计算结果与实验值最接近;最高占有轨道主要分布在与P原子相连的端氧和P-O-Mo键桥氧的p轨道上,最低空轨道主要集中在Mo原子的d轨道和部分O原子的p轨道上;所有Mo原子和P原子的正电荷都小于正常的氧化态,所有O原子的负电荷小于-2.     

团簇Ni3CoP电子性质与磁性研究

设计团簇Ni_3CoP模型对非晶态合金Ni-Co-P进行局域结构的模拟,基于密度泛函理论(DFT)并在B3LYP/Lanl2dz水平下运用Gaussian 09程序对其进行结构优化以及有关电子性质与磁性的计算,对所得到的理论数据进行分析.结果表明:团簇Ni_3CoP费米能级左侧的最高峰由Ni-d、Co-d、P-p共振产生,形成了d-d-p杂化的成键轨道,并主要由Ni-d轨道贡献;对于团簇Ni_3CoP内部的电子转移,以P原子提供电子的能力最强,Co原子次之,Ni原子则整体以接受电子为主.团簇Ni_3CoP 3重态下的构型具有磁性,且Ni原子磁矩对团簇总磁矩的贡献较大.分析d轨道的电子自旋态密度图,发现其对称性最不好,这说明其上的成单电子最多,是团簇磁性的主要来源.同时,研究还发现p轨道对团簇磁性的贡献同样不可忽略.     

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.     

新鲜多孔硅(001)表面结构与电子特性理论研究

在周期边界条件下的k空间中,采用基于密度泛函理论的广义梯度近似(GGA)平面波超软赝势法,建立H12S i31几何模型来对表面主要被H覆盖的新鲜多孔硅(Porous S ilicon,PS)(001)表面最外层的S i—H键的几何结构和电子特性进行初步的理论研究.计算得到氢化PS(001)表面几何结构S i—H键长为0.148 nm、H—S i—H键角为106°,并通过原子布居数、电子密度图分析得到氢化PS表面原子的电子特性.     

Cu-Fe合金单原子链结构稳定性和磁性的第一性原理研究

基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算,系统地研究了轴向应力作用下均匀交替构型和非均匀二聚体构型Cu-Fe合金单原子链的结构稳定性和磁性.均匀交替构型Cu-Fe合金单原子链在较大的原子间距范围内能够稳定存在,而二聚体构型Cu-Fe~*合金单原子链中易于形成Fe_2二聚体结构,稳定性较低.Cu-Fe合金单原子链在应力拉伸作用下由锯齿形结构向直线形结构转变的同时,其磁耦合特性也由铁磁耦合转变为反铁磁耦合.电子结构的分析表明Cu原子和Fe原子间的轨道杂化和电荷转移导致了Cu-Fe合金单原子链的高稳定性.     

AgSbTe_2材料电子结构和热电性质的第一性原理研究

采用基于第一性原理的线性完全势缀加平面波法(FLAPW)研究了AgSbTe2材料的电子能带结构和电子态密度.利用广义梯度近似(GGA)处理交换关联势,在自洽计算的基础上,利用弛豫时间近似下的线性玻尔兹曼输运理论计算了AgSbTe2材料的Seebeck系数随温度的变化.计算结果表明,电子总态密度主要由Ag原子和Te原子贡献,而在费米面附近的总态密度主要是由Te原子提供,而Te的p轨道态密度是总态密度的主要来源.同时发现,在300-600K的温度范围内,材料的Seebeck系数随着温度增加而增大,当温度为T=550K时Seebeck系数达到一个较为稳定的值137μV/K.     

多孔硅表面Si-OH结构的研究

建立了2×1的表面为Si-OH结构的多孔硅(Porous Silicon,PS)模型,在周期性边界条件下的K空间中,采用基于密度泛函理论广义梯度近似的平面波超软赝势方法,对Si-OH结构进行几何结构与电子结构的计算研究.通过分析优化后稳定的Si-OH结构,从理论上证实多孔硅的结构是完全不规则的,表面结构中两类Si-O键长值分别介于0.161-0.163 nm之间和0.168-0.170 nm之间,两类O-H键长值分别为0.097 nm和0.098-0.100 nm,角∠Si-O-H的值主要分布在109.0°-116.3°之间,角∠O-Si-O的值主要分布在96.2°-98.5°之间;最后通过电子局域函数ELF图分析了表面成键与表面电子分布特性.     

团簇Ti4P的电子性质及催化性质的前线轨道研究

为深入了解团簇Ti4P的电子性质以及催化性质,采用密度泛函理论,对团簇Ti4P所有构型优化和频率计算,得到7种优化构型.团簇Ti4P中电子主要由Ti原子流向P原子,且主要由Ti-4s轨道提供电子,P-3d轨道流入的电子最少.在所有优化构型中,2(2)转移电子的能力最弱,1(4)转移电子的能力最强.根据前线轨道理论研究团簇Ti4P的催化性质发现,前线轨道主要贡献者为Ti原子,所以该团簇存在的潜在催化活性位点极有可能就是Ti原子所在的位置.     

Cr、Mn掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势的方法,研究了纯锐钛矿相TiO2、Cr、Mn单掺杂TiO2的能带结构、电荷布居、态密度和光学性质.对电子性质分析发现:Mn掺杂引起杂质能带位于禁带中央,杂质能带最高点与导带相距大约0.6 eV,而最低点与价带相距大约0.65 eV,其中杂质能带主要由O原子的2p轨道和Mn原子的3d轨...     

多孔硅的荧光及微结构

用扫描隧道显微和光致发光方法，观察了发光多孔硅的微结构形貌。发现多孔硅的光致发光主要源自其最表面层；该层是无定型的，但又不同于一般的非晶硅，而像是由大量纳米尺度的硅原子族组成的海绵状微结构；诸硅原子簇随机分布，相互间没有清晰的界面；没有观察到“线”状或“柱”状的结构；多孔硅的微结构有明显的分形特征，其发光很可能是源自此纳米硅材料中的量子尺寸效应。     

1─苯基杂氮硅三环的从头计算研究

本文用量子化学从头计算方法研究了１－苯基杂氮硅三环的电子结构和化学键．基集包括了硅原子的收缩的ＳＴＯ－３Ｇ的３ｄ轨道，研究结果表明：硅的３ｄ轨道对形成苯环与硅之间的σ，л相互作用和Ｎ→Ｓｉ配键均有重要贡献     

B、N掺杂对单层SnO磁性影响的第一性原理研究

采用自旋极化密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了非金属元素B或N替位掺杂对单层SnO电子结构和磁学性质的影响.计算结果表明,B或N原子掺杂单层SnO可以诱导出磁性,磁矩分别为0.84μB,0.44μB.在B-SnO掺杂体系中,磁矩主要来源于B-2p轨道和与之近邻的Sn-5p轨道.在N-SnO掺杂体系中,磁性主要来源于Sn-5p、O-2p和N-2p轨道.进一步研究两个B或两个N原子掺杂单层SnO的磁耦合发现,双B原子掺杂SnO超原胞的C1构型最为稳定,双N原子掺杂SnO超原胞的C4构型最为稳定,且都呈现出顺磁性.形成能计算表明,富Sn条件下更易于实现双原子掺杂.     

B_(16)N_(16)Li_n(n=1,2,3,4,6,12)团簇的电子结构及稳定性

基于密度泛函理论B3LYP/6-31G(d,p)方法,研究了Li原子与B16N16团簇的结合方式和稳定性,并分析了电子结构.结果表明,2个Li原子担载到1个B原子形成2个B-N键时最稳定,Li原子的平均结合能约为1.0eV,大于Li原子之间的结合能,Li原子不会在团簇表面发生聚集.在B16N16Lin(n=1,2,3,4,6,12)体系中,Li原子向团簇转移电子,随着Li原子数目的增加,Li原子的净电荷由0.72e减少到约0.50e,Li原子的2s轨道形成的占据轨道不断升高,体系的能隙由2.64eV减小到1.59eV.     

团簇Ni4P的催化性质和磁性

以团簇Ni4P作为二元体系Ni-P非晶态合金的局域结构,采用密度泛函理论,在B3LYP/Lanl2dz水平下分别对不同重态下的构型进行优化计算,从HOMO、LUMO轨道贡献、各轨道未成对电子数、磁矩和自旋态密度角度分析发现:Ni、P原子对轨道贡献率受空间结构的影响,但受自旋多重度的影响极小;Ni原子是前线轨道的主要贡献者,P原子对其贡献亦不可忽略,说明催化活性是以Ni原子为主,P原子为辅所提供,且Ni原子最可能为团簇Ni4P的催化活性位点;构型1(4)～2(2)的磁性由d轨道上的自旋向上的α电子贡献,且四重态贡献较二重态更为显著,构型3(4)～3(2)的磁性主要由p轨道贡献;构型1(4)的磁矩分布范围最大,构型2(4)的磁矩分布次之;电子自旋具有不确定性,导致其α、β电子发生部分偏转.