超硬材料5d过渡金属氮化物、硼化物和碳化物的新进展

回顾了最近几年有关新型超硬材料——5d过渡金属氮化物、硼化物和碳化物的研究进展.阐述了此类材料弹性性质优劣的起源,分析了电子结构与弹性之间的关联性,并提出了此类材料需要解决的关键问题.     

GaAs掺杂3d过渡族金属材料的局域电子结构和磁性

运用原子团模型研究了GaAs掺杂3d过渡族金属（Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni）的局域电子结构和磁性,计算采用基于密度泛函理论的离散变分方法．计算结果表明这8种掺杂元素的磁矩先增大再减小（按Sc—Ni排列）,当Mn被掺杂到GaAs后,磁矩达到极大,且Mn的磁矩在掺杂浓度为1.4％时与实验符合得很好．在包含两个掺杂原子的体系中,掺杂原子之间的耦合形式有明显的变化．对于不同的掺杂元素,掺杂原子和最近邻的As原子之间的耦合形式也有不同的变化．     

3d过渡金属离子注入锐钛矿TiO2第一性原理研究

用金属离子注入方法在锐钛矿TiO2薄膜中掺杂3d过渡金属（V,Cr和Fe）离子,采用全势线性缀加平面波（FP-LAPW）方法计算3d过渡金属离子掺杂后锐钛矿TiO2的电子结构,通过紫外-可见吸收光谱测试方法检测3d过渡金属离子注入对TiO2薄膜吸收光谱的影响.实验结果和理论计算表明,离子注入后,锐钛矿TiO2薄膜带隙宽度变小,V,Cr和Fe离子的3d态在紫外-可见吸收光谱的红移中起关键作用.     

3d过渡金属离子注入锐钛矿TiO_2第一性原理研究

用金属离子注入方法在锐钛矿TiO2薄膜中掺杂3d过渡金属(V,Cr和Fe)离子,采用全势线性缀加平面波(FP-LAPW)方法计算3d过渡金属离子掺杂后锐钛矿TiO2的电子结构,通过紫外-可见吸收光谱测试方法检测3d过渡金属离子注入对TiO2薄膜吸收光谱的影响.实验结果和理论计算表明,离子注入后,锐钛矿TiO2薄膜带隙宽度变小,V,Cr和Fe离子的3d态在紫外-可见吸收光谱的红移中起关键作用.     

染料敏化太阳能电池过渡金属氮化物对电极研究进展

对电极作为染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cells, DSSCs)的核心部分之一,其材料的价格、性能和制备方法直接影响DSSCs的发展和应用.DSSCs常用Pt对电极价格昂贵,因此寻找低成本高性能的催化材料代替Pt对电极是降低DSSCs成本的有效途径之一.过渡金属氮化物的电子结构与Pt相似,具有高的催化活性和耐腐蚀性,价格低廉,使其具有广阔的应用前景.文章综述了利用载体与过渡金属氮化物的协同作用或将过渡金属氮化物制备成独特的纳米结构(纳米管和高度有序的阵列等)来解决过渡金属氮化物易团聚和大规模的物质运输受限制等问题.最后提出,开发双组元或多组元过渡金属氮化物和柔性过渡金属氮化物对电极可以作为未来发展方向.     

5d过渡金属碳、氮化合物在超硬材料方面的应用前景

随着科学技术的发展,工业上对各种功能材料的需求越来越多.与此同时,各种计算软件程序的开发使得计算机理论计算的能力也不断提高,因此越来越多的物理、化学和材料等领域的研究分支也日益壮大.近年来,伴随一些过渡金属碳、氮化合物在一定实验条件下的合成,过渡金属碳、氮化合物独特的一些物理性质如高熔点、高硬度及超导性等被人们逐渐重视.在切割工具、扩散障碍层、太阳能电池等工业应用方面过渡金属碳、氮化合物具有广泛的应用前景,因而引起了众多科学家的研究兴趣.     

Ce掺杂SnO_2的导电性及稳定性增强的第一性原理研究

为了提高SnO_2导电性以及稳定性,常对其进行掺杂使用。涉及金属的d轨道和稀土金属的f轨道,传统的理论计算往往低估了带隙。为了拟合实验数据,通常使用哈伯德(U)参数进行修正。结果表明,与纯SnO_2的能带结构相比,Ce掺杂后带隙引入了一种新的电子态。导带和价带变得更加致密,带间波动更加平稳。Ce掺杂后减小了价带和费米能级之间的宽度,电子跃迁所需的能量降低,增强了导电性。Ce掺杂后体系的局域化程度增加,可知掺杂后Ce-O的局域化强度大于Sn-O的局域化强度,掺杂体系的稳定性提高,为过渡金属的改性研究提供了理论基础。     

表面Au修饰Pt纳米晶体电化学稳定性的第一性原理研究

利用密度泛函理论(DFT)对表面未/金修饰的截角八面体铂纳米粒子的电化学稳定性进行了对比研究。溶解电位计算结果表明:纯Pt纳米粒子的表面棱边位置配位高度不饱和,电化学稳定性较差;对于Pt_(177)Au_(24)、Pt_(141)Au_(60)和Pt_(135)Au_(66)三个表面金修饰的纳米粒子,发现Pt_(135)Au_(66)纳米粒子有更好的电化学稳定性且对其平整表面活性位点的催化性能没有影响。这些结果意味着以痕量Au表面掺杂提高Pt纳米粒子的电化学稳定性是可行的策略。     

高压下Bi的第一性原理研究

利用晶体结构预测软件USPEX找到了一种Bi的高压稳定相C4,其空间群是： .采用投影缀加平面波方法和广义梯度近似的第一性原理计算,研究了该新结构和Bi 的A7 结构、高压下的单斜结构（Bi-Ⅱ相）、Host-guest 结构（Bi-Ⅲ相）和bcc结构（Bi-Ⅴ相）在不同压强下的压缩行为.拟合出了状态方程,得到各相之间的能量压力关系,进而分析了各相发生相变时的压强.对比发现：常压下C4 结构与bcc 结构的能量非常接近,前者仅仅比后者低10 3 eV/atom.随着压强的升高,发现在50 GPa时C4 结构比bcc结构的能量低10 2eV/atom.运用基于密度泛函微扰理论的赝势平面波方法的ESPRESSO 软件包,计算了C4 结构与bcc 结构在10 GPa压强下的电声耦合常数,从而推算出两者相应的超导转变温度分别是5.8K和7.4K.另外发现两者随着压强的升高而均呈现降低的趋势,在50 GPa时, C4 结构与bcc 结构的分别是1.5 K和1.8 K.     

含过渡金属氮化物的纳米多层薄膜增韧的研究进展

过渡金属氮化物（transition metal nitrides, TMNs）因具有硬度高、热稳定性好等特点,被作为一种硬质纳米多层薄膜在工程领域得到广泛使用。但TMNs低的韧性限制了其作为纳米多层薄膜在先进制造领域的发展。如何在保持高硬度的前提下增加薄膜的韧性,成为超硬薄膜面临的新挑战。综述了TMNs纳米多层薄膜的增韧研究进展,包括TMNs薄膜传统的增韧方法（延性相增韧、相变增韧、压应力增韧、结构优化增韧）以及通过提高价电子浓度来增强硬质陶瓷薄膜韧性的可行途径;并提出通过合理的化学成分、宏观结构（衬底约束）和微观结构（原子有序）的设计,可以获得超硬和超韧的超晶格TMNs薄膜。     

异核VMn氢化物稳定构型及金属间化学键

用密度泛函DFT方法,相关泛函和交换泛函均采用PW91泛函,所有原子均采用DZP全电子极化基组,研究了VMnHx(x=1～5)系列分子的较低能量构型.讨论了VMnHx(x=1～5)团簇分子的基态分子结构、红外光谱特征、热力学稳定性及其金属间化学键.结果表明:VMnHx(x=1～5)基态构型所属点群及电子态分别为:VMnH(Cs,2 A′)、VMnH2(Cs,1 A′)、VMnH3(Cs,2 A″)、VMnH4(C3 v,3 A1)和VMnH5(C1,2 A).其最高占据轨道(HOMO)与最低空轨道(LUMO)间能隙值均大于30kcal·mol-1,其中最大为VMnH4(60.2kcal·mol-1),最小的是VMnH (34.6kcal·mol-1).平均原子化能随着氢原子个数的增加而单调增加.其电子亲和能最大都小于4kcal·mol-1,对电子的吸附能力也很弱.VMnH4的VMn间金属间化学键为单键,其余金属间化学键均为三键.     

Rh1-ZSM-5分子筛催化乙烷选择性氧化反应的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)对单核铑负载的沸石催化剂(Rh₁-ZSM-5)上铑活性氧(Rh-oxo)物种与CO和H₂O的吸附行为及其催化的乙烷氧化反应进行理论研究.结果表明:CO和H₂O可共吸附在Rh-oxo物种形成四配位铑配合物Rh(O)(CO)(H₂O);与Rh-oxo物种催化甲烷氧化不同,在乙烷的选择性氧化反应中,羰基化产物丙酸的生成在热力学和动力学上均是不利的,反应产物是以乙醇为主的C₂氧化产物.     

半羟化的碳化硅片的第一性原理研究

通过密度泛函理论,研究了碳化硅片被羟化时的电磁特性.所研究的碳化硅片为六角蜂窝状结构,碳硅原子之比为1∶1,相间排列.由于碳化硅片中含碳、硅两种元素;为此,分别考虑了全部的碳原子以及全部的硅原子分别被羟化的情形,结果发现了丰富的电磁特性.由于羟基对羟化原子的吸引作用,碳硅原子出现分层,对应于碳、硅原子被羟化时的碳硅层间距分别为0.671、0.390,碳硅键长度也分别伸长为1.904、1.861,而对应的键角C-O-H与Si-O-H分别为107.8°、114.1°,表现了新奇的几何结构特点.由形成能计算发现羟化是放热的,说明此过程易实现.为寻找到最稳定的磁状态,分别考察了铁磁、反铁磁以及非磁三种构型,结果发现,当所有碳原子被羟化时,材料为非磁性的正常金属;而当其中所有的硅原子被羟化时,是直接带隙为1.12 eV的反铁磁半导体.其中,硅被羟化时的结构更稳定.这些说明通过调节碳化硅片中羟化的不同位置,可以有效地调节碳化硅片的电磁特性,预示着在未来的纳米功能材料中可能的应用.     

过渡金属掺杂的I-III-VI_2黄铜矿电磁性质的第一性原理研究

应用自旋极化的第一性原理对过渡金属(TM=V、Cr、Mn、Fe、Co和N i)掺杂的CuGaSe2和CuGaS2进行研究.计算结果表明:Cr和Mn掺杂的I-III-VI2稀磁半导体(DMS)表现为铁磁性质,而V、Fe、Co和Ni掺杂时表现为反铁磁性质.对稀磁半导体的磁矩研究,其结果符合一条简单的规律:当磁性离子3d的t2g轨道完全被占据时,磁性离子的磁矩比理论的期望值小;当磁性离子3d的t2g轨道处于全空时,磁性离子的磁矩比理论的期望值大;而当磁性离子3d的t2g轨道处于部分被占据时,磁性离子的磁矩与理论值的差距主要取决于晶体的对称性和磁性离子的状态.     

Ru:LiNb03晶体电子结构和光学性质的第一性原理研究

对Ru:LiNbO3晶体基态的几何结构、电子结构和光学特性等进行了系统的研究.基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面渡超软赝势方法,时Ru:LiNbO3基态平衡时的几何参量、内部坐标进行了优化计算,且计算出能带结构和态密度分布,并分析了不同原子对能带结构的影响.对光学性质进行计算,得出Ru:LiNbOa的介电函数以及吸收谱,理论结果与实验符合得很好.本研究为向LiNb03晶体中掺Ru和进行含Ru的双掺杂提供了理论依据.     

PbF2电子和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论, 采用赝势平面波方法研究了立方萤石结构PbF2的电子和光学性质. 基态下, 晶格常数a, 体积弹性模量B0与实验值和其他理论计算值一致. 通过其能带的研究, 发现立方萤石结构PbF2是一种直接帯隙绝缘体材料, 禁带宽度为4.41eV. 密立根电荷布居数和重叠集居数显示, 电子从Pb向F转移, 电荷主要集聚在Pb F键方向, 且PbF2是一种共价键与离子键共存的化合物. 为了更进一步的研究PbF2的光学性质, 本文还计算了PbF2的介电性质、吸收系数、复折射率、能量损失谱以及反射率. 结果表明: PbF2的主要吸收光区位于紫外光区, PbF2是一种优良的紫外光学材料.     

TiO_2电子结构的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的赝势方法对锐钛矿、金红石和萤石结构的TiO2进行模拟,研究了锐钛矿结构、金红石结构和萤石结构TiO2的基本性质参数,包括晶格常数、体弹模量B0和体弹模量对压强的一阶导数B0′。对模型进行结构优化后,应用第一性原理方法比较分析了三种晶型TiO2的电子结构,研究了其能带和态密度的分布情况,得出TiO2的价带主要是由O的2p态贡献的,导带主要是由Ti的3d态贡献的。得到三种晶型的禁带宽度,其中萤石结构的禁带宽度远小于金红石结构和锐钛矿结构,可以预计萤石TiO2光谱的吸收范围扩大,光催化性能会相应有所提高。     

Cu掺杂ZnS的第一性原理计算

采用第一性原理的平面波赝势方法和广义梯度近似,研究了闪锌矿ZnS掺杂Cu前后的电子结构和光学性质。通过对掺杂前后电子能带结构,态密度以及分态密度的计算和比较,发现引入杂质Cu后,在价带顶Cu3d态与S3p态发生p-d排斥,造成价带顶向高能端移动;在导带底Zn4s与Cu3p相互重叠,发生杂化,引起导带向低能端偏移,两方面的作用使得ZnS的带隙变小。掺Cu后ZnS的光吸收向低能端扩展,并且在可见光区生成新的吸收峰。     

氮化钒热力学性质的第一性原理计算

通过投影扩大波方法预测了氮化钒的热力学性质,计算的晶格常数和前人理论实验结果相吻合.通过准谐德拜模型获得了高温高压下相对体积、体弹模量、热力学常数和热熔的变化情况.结果表明,低温低压下,热力学常数随温度迅速增加,在较高的温度和压力下,增长趋于平缓;低温时,热熔与温度的三次方成正比,并且高温时接近于杜隆普蒂常数.