从头算方法研究Y掺杂的刚玉晶界∑31

使用一系列高精度从头计算方法,我们研究了清洁和Y掺杂的α-Al2O3陶瓷晶界∑31／（0001）的原子结构和能量．为了研究Y的不同替代位置和掺杂浓度,我们建立了一个包含700个原子的周期性超晶格模型．我们的结果显示Y原子更愿意偏聚到由7个A1原子构成的环形结构中心．这一效应可以由Y在这一位置的更有利的成键和更低的晶界形成能得到解释．计算的清洁和Y掺杂晶界形成能分别是3．99和3．67J／m2．计算的电荷平均值显示,晶界区电荷密度低于晶体区．同时,我们也发现晶界引起了静电势在晶界两边的长程不对称分布．     

Si/Na杂质对Al晶界影响的第一性原理研究

根据密度泛函理论,用第一性原理的赝势方法计算了对Al∑9倾侧晶界掺杂Si和Na前后的原子及电子结构,进而研究杂质Si,Na偏聚对Al晶界的影响.计算结果表明,掺杂Si后,Si-Al之间形成了较强的具有共价-金属混合性质的化学键,从而阻止了应力作用下的原子重组,可归于"bond mobility model";而Na杂质的引入,使Al晶界处原子间距变大,电荷密度明显减小,属于"decohesion model".     

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。     

第一性原理研究Pt掺杂NiTi金属间化合物晶体结构与电子结构

利用第一性原理研究了Pt掺杂B2结构的NiTi合金的晶体结构与电子结构.研究表明,Pt掺杂比例不高于6.25%时,体系的结构不发生变化,并且点缺陷形成能更低,说明掺杂Pt元素能提高体系的稳定性.而态密度,布局分析以及电荷密度分布的计算进一步表明,Pt原子的d电子成键能力很强,与周围原子剧烈的相互作用,结构更为稳定.通过...     

硅掺杂碳纳米管的第一原理研究

采用密度泛函理论研究了纯（5,5）碳纳米管和硅掺杂（5,5）碳纳米管的几何结构和电子结构,计算了硅掺杂后碳纳米管局部结构的变化、硅掺杂碳纳米管的形成能和表面的电荷分布,以及硅原子掺杂前后碳纳米管的差分电荷密度。研究结果表明硅原子掺杂对碳纳米管的结构影响很大,硅原子与碳原子形成化学键,引起碳纳米管上电荷重新分布,引起电荷转移。     

内掺金属富勒烯Ti2@C80几何结构和电子结构计算研究

采用密度泛函理论方法对内掺金属富勒烯Ti2@C80的几何结构和电子结构进行了计算研究.分别在,Ih_C80笼内8个不同位置和D5h_C80笼内5个不同位置掺入2个Ti原子,形成Ti2@C80的初始结构.几何结构优化表明:对于Ih_Ti2@C802个Ti原子处于C2轴上是最稳定的;对于D5h_Ti2@C80,2个Ti原子处于距C2轴0.042 8 nm的一条轴上是最稳定的.局部态密度显示:掺杂之后Ti原子的磁性淬灭.密立根电荷分析表明:2个Ti原子的化合价小于 2价,与电子能耗谱实验相一致.     

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.     

Si在Au(111)面的电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于第一性原理,对Si原子在Au(111)表面和体内掺杂的电子结构和光学性质进行了比较研究。结果表明,在Au(111)体内掺杂时,Si原子与周围六个Au原子成键,p电子更局域。电荷密度分析表明,掺杂Si后,Au原子周围的电子密度明显减少,而SiAu原子之间的电子密度明显增加,电子由Au原子向SiAu原子之间转移。通过计算Mul-liken键级表明,SiAu原子之间形成共价键,表面掺杂时的SiAu键级比体内大。吸收谱的计算表明,在体内掺杂Si原子时的吸收谱明显增强。     

Ca对氧化铝晶界处氧空位扩散的活化机理

通过第一性原理方法计算了α-Al_2O_3的∑3(1010)晶界处Ca偏析对时氧空位(oxygen vacancy,VO)形成能和扩散势垒的影响。Ca偏析到晶界处的稳定位置后,Ca附近VO的形成能为3.05～4.04 eV,比没有掺杂的晶界处VO的形成能降低了2.5 eV以上;Ca附近VO扩散的活化能为2.30 eV,与没有掺杂的晶界相比,降低达1.8 eV.随着晶界处Ca浓度的升高,晶界附近的晶格发生明显膨胀,电荷平衡进一步被打破,VO的形成能降低至-1.43 eV,扩散的活化能进一步降低至1.27 eV。Ca掺杂对α-Al_2_3晶界有活化的作用,促进晶界处的VO的形成和扩散。     

Fe中掺Ti刃型位错体系的电子结构研究

能量计算结果表明,在铁基刃型位错芯处掺入合金化元素Ti后,掺杂体系的结合能比纯刃型位错体系的结合能降低,这意味着置换型掺杂刃型位错体系具有相对的稳定性.杂质形成能计算预期Ti在位错芯区的偏聚倾向,反映了位错芯对杂质Ti的捕获效应.从原子间相互作用能计算和Mulliken轨道占据数的分析中发现掺杂体系中Ti原子与其近邻基体Fe原子间具有强相互作用及电荷转移,形成较强的电荷关联区.原子间键合力增强,将影响刃型位错在基体中的力学行为.考虑到掺Ti对位错芯区电子结构及能量的影响可得出结论:Fe中掺Ti的量子力学计算发现微量合金化元素Ti具有固溶强化效应,影响过渡金属的力学性质.     

P掺杂对Ni3Al晶界结合性能的影响

晶界对于金属和合金材料的力学性能至关重要。晶界本身相对于晶内结合性能差,是导致合金延展性低的一个重要原因。因此,有必要改善其晶界结合性能,进而提高材料的延展性。利用物理冶金及合金化方法可以改善有序金属间化合物的延展性和可加工性。添加合金化元素可以有效地控制晶界的结构,达到提高晶界结合性能的目的。利用第一性原理方法在原子尺度上研究了P掺杂在Ni₃AlΣ5(210)晶界中的偏聚行为及晶界结合性能的增强机制。计算的偏聚能表明,相对于体位置,P原子倾向于向晶界偏聚,且向纯Ni的晶界孔隙中由8个Ni原子围成的间隙位置偏聚的趋势最大。计算晶界断裂过程中的格里菲斯功显示P的晶界偏聚可以改善晶界的结合性能。     

KPb2Cl5晶体中掺杂Er3+和Eu3+离子占据格位倾向性的原子模拟研究

本文采用经验势原子方法模拟研究了稀土Er3+和Eu3+离子掺入KPb2Cl5晶体的格位占据情况,其中经验势参数通过拟合KPb2Cl5、PbCl2、ErCl3、EuCl3晶体结构得到.在此基础上,研究了KPb2Cl5晶体的本征缺陷和替代缺陷,而且通过溶解反应能计算发现,掺杂Er3+/Eu3+离子更倾向于占据Pb2格位,并由最近邻的K空位缺陷提供电荷补偿.这一结论与文献报道的KPb2Cl5:Eu3+光谱分析结果一致,为Er3+掺杂KPb2Cl5占据格位实验假设提供理论支持.     

第一性原理对Cd_nSe_n(11≤n≤16)和Cd_(15)Se_(16)Ag纳米团簇电子性质研究

由于自身电子性质的可协调性,镉硫族半导体尤其是掺杂的纳米半导体团簇吸引了广泛关注.采用密度泛函理论的方法对Cd_nSe_n(11≤n≤16)和Cd_(15)Se_(16)Ag稳定结构进行了模拟研究分析.考虑到Ag原子掺杂在Cd_(16)Se_(16)纳米团簇中位置的不同,主要讨论了两种可能的掺杂位(S_1,S_2).基于此,详细地分析了Cd_(15)Se_(16)AgS_1和Cd_(15)Se_(16)AgS_2团簇的几何结构和电子性质.Ag原子的掺杂改变了其自身的对称群和大小,而Ag原子掺杂位置的不同也被重点关注.此外,详细分析了结合能、带隙、态密度和电荷密度分布.结果表明掺杂后引入了一个新的能级,该能级被称为受主能级.介于价带和导带间的受主能级电荷密度的贡献主要来自于Se原子的p轨道和Ag原子的d轨道.这些说明了Ag原子掺杂和掺杂位置是两个影响着团簇电子性质的重要原因.     

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。     

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.     

非金属元素掺杂对VH_2解氢性能的影响

采用基于第一性原理的密度泛函理论(DFT)结合平面波超软赝势方法,研究了非金属元素B,P,S掺杂对VH2解氢性能的影响。计算B,P,S掺杂VH2前后体系的合金形成热、净电荷、重叠集居数以及电子态密度,发现B,P,S掺杂VH2后:体系的合金形成热减少;部分V原子的净电荷增大、H原子的净电荷减小;费米能级处的电子浓度增大;态密度计算也显示了V-H之间的共振作用有所减弱。由此表明非金属元素B,P,S元素的掺杂减弱了系统的稳定性,提高了VH2的解氢性能。     

硼对钢中小角度晶界的加强作用

利用位错模型构造纯净的和B掺杂晶界的原子结构,并用Recursion方法研究了B/Fe53°小角度晶界的结合性质·态密度(DOS)和键级积分(BOI)的计算结果表明:B在钢中的小角度晶界区起‘桥梁’作用,增强晶界的结合强度·计算的每个原子的平均结合能差ΔE为-0419eV,这一结果从理论上进一步证实了B对钢中小角度晶界的加强作用     

铝掺杂富勒烯储氢研究:氢分子形成双层结构

利用密度泛函理论对铝(Al)掺杂富勒烯(C_(60))体系的储氢性能进行研究.计算结果显示单个Al原子吸附的最佳位置是在C_(60)表面碳五元环的中心位置,并形成稳定的Al-C_(60)团簇结构.当多个Al原子掺杂C_(60)时,12个Al原子吸附在C_(60)的碳五元环正上方具有最低的吸附能,并形成稳定的Al12-C_(60)团簇结构.当氢气与Al掺杂C_(60)的团簇相互作用时,C_(60)上碳原子的吸附使得氢气吸附在Al原子的侧位比吸附在Al原子的顶位更稳定.当多个氢气分子吸附时,102个氢分子形成稳定的双层结构并吸附在Al12-C_(60)上,体系的储氢质量分数能达到16.44%,其中第一层氢分子主要同两个临近的Al原子以及C_(60)相互作用,第二层氢气分子同近邻的Al原子和第一层氢气分子相互作用.     

Cu掺杂ZnO电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法,研究了Cu掺杂纤锌矿ZnO体系的电子结构和光学性质.计算结果表明,当Cu掺杂的原子百分比为4.17%时体系的光学吸收性能最好,且在可见光区出现了新的吸收峰.电子结构的分析表明,Cu的引入可以在体系的费米能级引入由Cu-3d电子和O-2p电子相互作用形成的杂质能级,价电子由eg能级向tg能级跃迁吸收的最小光子能量约为0.12 e V,这使得Cu掺杂的ZnO体系的光学吸收边落在了红外光区,同时杂质能级的出现降低了ZnO体系的禁带宽度,提升了ZnO半导体材料对长波光子的响应并有效改善ZnO半导体的光催化活性.     

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．