Si（111）面电子结构、表面能和功函数的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论（DFT）框架下的平面波超软赝势法研究了体相Si和Si（111）面。计算得到的体相Si的晶格常数、体积模量和结合能较好地与其它文献结果吻合。在表面结构中，由于Si-3p态的影响导致键长和电荷密度的改变。键长在第一二层，二三层和三四层之间由2．338A变为2．286A，2．382A，2．352A，电荷密度由0．57946×10^3 electrons／nm^3变为0．60419×10^3，0．5143×10^3和0．55925×10^3 electrons／nm^3。计算得到的Si（111）的表面能和功函数为Si的应用提供了理论依据。     

Cu(111)表面能及功函数的第一性原理计算

应用基于局域密度泛函理论的第一原理赝势法,计算了铜体材料的结合能及晶格常数的理论值,并由此计算了Cu(111)面的表面能及功函数。计算所得到结果与实验数据吻合较好。     

CdS_xSe_(1-x)合金结构、电子结构和光学性质的第一性原理研究

用密度泛函理论究了闪锌矿型三元合金体系Cd SxSe1-x的晶体结构、电子结构和光学性质.计算了组分参数在0≤x≤1范围内Cd SxSe1-x的电子结构、态密度和带隙,计算结果表明Cd SxSe1-x为直接带隙半导体材料,其带隙随Se含量的增加而减小.分析了Cd SxSe1-x的复介电函数和吸收系数等光学性质随光子能量变化的关系,随Se元素含量增加,各光学特性曲线向低能方向移动.     

B_(13)C_2和B_7C_8低压缩性的第一性原理计算研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了B13C2(B12CBC)中B12二十面体极地位置的所有B原子被C原子取代后材料的性质变化.通过对比计算研究发现,取代后每个B6C6二十面体中赤道原子同赤道原子间、极地原子同极地原子间的电荷密度减小﹑Mulliken布局数由正值变为负值,说明它们由成键态转变为反键态,相互作用减弱;而极地原子同赤道原子间,以及相邻二十面体极地原子间的电荷密度相对增加﹑化学键长变短﹑sp轨道杂化进一步显著,说明它们的相互作用增强.结果造成材料的体弹模量增大、剪切模量减小;材料由半导体性过渡到金属性;电荷密度由B12二十面体相对均匀分布,转为向两极集中局域,而使主要影响材料理论硬度的最弱化学键等的计算硬度减弱、材料的理论硬度减小.     

B_(13)C_2型C_(14)N晶体结构及弹性性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了B13C2(B12CBC)中B12二十面体所有B原子被C原子取代,以及C-B-C三原子链中B原子被N原子取代后材料的性质变化.通过对比计算研究发现,取代后得到的化合物C14N体积减小、弹性性质进一步提高、金属性增强、材料的理论硬度有所改善.C与C明显形成方向性强的类金刚石四面体键,有利于其弹性的提高.     

导电聚合物聚苯硫醚电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法来研究聚苯硫醚单链分子和晶态的电子结构,其结果表明:虽然在苯环之间引入S原子,但π电子的离域性还相当程度的存在,而能带结构与其它理论结果符合的很好,但是计算出的带隙比实验值要偏小;从单链分子和晶态结构比较,发现晶态PPS的两条分子链之间的相互作用对能带结构和态密度产生明显的影响。     

导电聚合物聚苯硫醚电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法来研究聚苯硫醚单链分子和晶态的电子结构,其结果表明：虽然在苯环之间引入S原子,但π电子的离域性还相当程度的存在,而能带结构与其它理论结果符合的很好,但是计算出的带隙比实验值要偏小;从单链分子和晶态结构比较,发现晶态PPS的两条分子链之间的相互作用对能带结构和态密度产生明显的影响。     

用第一性原理研究乙醇胺在Ni(111）和Cu(111）表面的吸附机理

为了探究乙醇胺催化脱氢法中乙醇胺与催化剂之间的作用机理,依据密度泛函理论(DFT),研究了乙醇胺在Ni(111)和Cu(111)表面上各高对称位的吸附机制,优化了乙醇胺在吸附位点Top、Bridge、Hcp和Fcc的吸附结构,并对最稳定吸附构型的吸附能、电荷转移和态密度进行了对比分析。结果表明:乙醇胺以氨基上的氮原子接近Ni(111)和Cu(111)表面Top位时的吸附能最小,分别为-1.31eV和-1.04eV,此时乙醇胺向金属表面的电荷转移量分别为0.08e和0.06e(e为1个电子的电荷量),且吸附后分子内部键长基本不变,说明乙醇胺在Ni(111)和Cu(111)表面的吸附均属于物理吸附,电子态密度分析的结果与当前结果一致;乙醇胺与金属Ni之间的相互作用更强。这些结果为深入了解乙醇胺在Ni(111)和Cu(111)表面的反应机理提供了理论基础。     

InVO4电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛涵理论的全势线性缀加平面波(FP-LAPW)方法计算光催化材料InVO4的电子结构和光学常数.电子结构计算表明:InVO4价带顶由O-2p、V-3d和In-3d轨道电子杂化构成,导带底则是V-3d和In-5s空轨道组成的杂化带.光学常数计算表明:光吸收强度曲线在4.2 eV处的突出峰源于价带顶的O-2p电子向导带底V-dz2和V-dxy轨道的跃迁,4.6～7.9 eV范围内的吸收峰则对应于价带顶的O-2p电子向导带底杂化带的跃迁;而高能区的光吸收是材料深能级电子跃迁的贡献.折射系数计算结果显示InVO4为各向异性材料;介电常数虚部和能量损失曲线则表明声子对光催化有重要影响.     

稀土四硼化物表面性质的第一性原理研究

电子发射材料的性能通常与功函数和表面稳定性有关。本文利用基于密度泛函理论的第一性原理,计算五种四硼化物(RB₄,R为稀土金属La、Ce、Gd、Tb、Dy)的功函数和表面能。计算表明,RB₄表面性质取决于晶体表面取向和终结面原子。当终结面为稀土原子时,等化学计量和非化学计量表面的功函数和表面能都会降低。其中功函数降低约1.5 eV,非化学计量比的表面能平均降低0.3 J/m²。LaB₄的理论发射性能最好,是一种潜在的新型电子发射材料。     

La掺杂ZnO的电子结构和光学性质的第一性原理

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,构建了Zn1-xLaxO（x = 0,0.0625,0.125）三种超胞模型。结构优化后,对La掺杂前后体系的态密度、布居值和光学性质进行计算分析。结果表明,随着La掺杂量的增加,掺杂体系的体积增加,形成能减少,共价性降低,体系稳定性增强。与未掺杂ZnO相比,La掺杂后引起可见光区的吸收边发生蓝移。体系的介电函数虚部和光吸收系数在低能区出现新的峰值。在高能区的吸收峰出现红移且峰值强度减弱。能量损失峰向低能方向移动,掺杂体系的能量损失明显减少。     

MgCNi3电子结构与光学性质的第一性原理研究

考虑广义梯度近似与局域自旋密度近似,采用全势线性缀加平面波法对新超导体MgC-Ni3的几何结构、电子结构及光学常量进行了计算,从理论上给出了其电子结构与光学性质的关系.电子结构计算表明,尽管MgCNi3与BaTiO3均具有钙钛矿几何结构,但电子能带结构的差异使它们表现出不同的光学性质.基于第一性原理的光学性质的计算结果表明,MgCNi3的光学性质呈各向同性,其低能区的光吸收是由-5.0～0 eV范围内的Ni(3d)电子的带内跃迁以及该能量范围内Ni(3d)电子到导带空轨道的带间跃迁引起的;而高能区的光吸收则起源于价带中C(2p)和C(2s)轨道上的电子到导带中C(2s),C(2p),Ni(3d),Ni(4s)空轨道的带间跃迁.     

GaN(110)表面原子及电子结构的第一性原理研究

用缀加平面波加局域轨道方法计算了立方GaN及其非极性 ( 1 1 0 )表面的原子结构和电子结构 ,得到的GaN晶格常数及体积弹性模量与实验值符合得很好 .用层晶超原胞模型计算立方GaN ( 1 1 0 )表面的原子和电子结构 ,发现表面顶层原子发生键长收缩并旋转的弛豫特性 ,表面阳离子向体内移动 ,与周围阴离子形成sp2 杂化 ,而表面阴离子则形成p3 型锥形结构 .其面旋角为 1 4 .1°,比传统的Ⅲ V族半导体 ( 1 1 0 )表面面旋角 ( 30°± 2°)小得多 ,这主要与材料的离子性有关 .此外 ,在带隙附近还发现了两个表面态 ,一个是占据的表面态 ,主要是由N的p电子构成的 ;另一个是空态 ,主要由阳离子的轨道构成 .在驰豫后 ,这两个表面能带都移出带隙 ,分别进入导带和价带 ,形成共振表面态     

Ta-C化合物物理性质的第一性原理研究

【目的】难熔金属碳化物具有优异的物理化学性能,可在众多领域中广泛使用。【方法】利用基于密度泛函的第一性原理方法对Ta-C二元体系中的TaC、Ta_2C、Ta_4C_33个金属间化合物的热力学、力学性质以及电子结构进行计算研究。【结果】本研究晶格常数计算值和实验值一致,形成焓以及弹性常数计算值和其他理论值吻合。弹性模量计算值表明TaC具有最高的体积模量、剪切模量和杨氏模量,也即其脆性最大;而Ta_2C各个模量最小,其延展性最大。电子结构和电荷密度差显示Ta的d态电子和C的p态电子有杂化的现象,并且Ta-C之间呈现离子键特征。利用德拜模型得到了3个化合物在高温高压下的热物理性质,随着温度的增加,体积模量减小,而热容以及热膨胀系数增大,其中热容在1 000K以上变化越来越小,最后接近杜隆-珀蒂极限值。随着压强的增加,体积模量增大,而热容和热膨胀系数减小。【结论】在3个化合物中,TaC的强度最高,脆性最大,而Ta_2C的强度最低,延展性最好。     

第一性原理计算锐钛矿（101）面的电子结构

采用基于密度泛函理论的平面波赝势方法计算了锐钛矿（101）表面的电子结构．首先对锐钛矿完整（101）表面模型进行结构优化,在此基础上计算了电子结构,得到了能带结构和态密度等数据．结果分析表明表面的电子结构与体相基本相同,在完整表面上没有出现表面态,驰豫后完整的锐钛矿（101）表面是稳定的,表面价带主要由O2p组成,导带主要由Ti3d组成,表面导带态密度变窄导致表面能隙比体相能隙略增大．通过表面原子局域态密度和Mulliken净电荷的分析,推测O2c、O3c、Ti5c可能是活性位置．     

Si低指数面氢吸附稳定性第一性原理研究

利用局域密度近似第一性原理方法,研究了氢在Si低指数面(100)、(110)、(111)上的吸附结构.用两种不同的势(US-PP和PAW)对Si晶格常数优化,计算表明两种势对Si晶格常数的影响较小(仅为0.002 nm).US-PP势总能计算表明:对于Si体系,清洁Si表面的(111)面最稳定;随氢环境的改变(氢化学势的不同),表面稳定结构也随着变化,与实验结果相一致.     

First-principles investigation on initial stage of 2H-SiC(001) surface oxidation

We present comprehensive first-principles calculations on the initial stages of SiC oxidation by atomic oxygen on the 2H-SiC(001) surface. In order to study the kinetics of oxygen incorporation at the 2H-SiC(001) surface, we investigated adsorption and diffusion of oxygen atoms and SiO₂ nucleation. The adsorption sites, corresponding to the local minima of the potential energy surface (PES) for isolated adatoms, were identified through a comparative study of the adatom binding energy at different locations. We found that the Bridge (siloxane) site is preferred over other adsorption sites. There is no energy barrier at 0K for oxygen insertion into this site. The diffusion energy barriers that the adatom has to overcome when jumping between two adsorption sites were calculated. The premises of silica nucleation were investigated by calculating the modifications of the oxygen atom binding energy due to the interaction with neighboring adatoms. Supported by Snecma Propulsion Solide (Contract FPR No. 0539298A), Natural Science Foundation of China (Grant No 50802076) and Flying Star Program of Northwestern Polytechnical University of China     

First-principles investigation of the alloying effect of Ta and W on γ -TiAl

The alloying effect of the refractory elements Ta and W on the electronic structure of y-T\A\ is investigated by using the first-principles discrete variational method within the framework of density functional theory. The impurity formation energy result indicates that Ta and W can stay steadily in the TiAl system by way of substitution. The Mulliken population, density of states and charge density difference results show that Ta and W both give rise to the strong interaction between themselves and the neighboring host atoms. The alloying effect of the two elements onγ-TiAl is the same.     

六方HfB_2弹性性质、电子结构和光学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)框架下广义梯度近似平面波超软赝势法,计算了六方HfB2的几何结构、弹性性质、电子结构和光学性质.计算得到的晶格常数和弹性常数均与实验值相符,并说明了六方HfB2的晶体结构是稳定的;通过Reuss-Voigt-Hill模型计算得到了六方HfB2的体积、剪切、杨氏模量及泊松比,同时获得了六方HfB2的德拜温度,计算结果都与实验值相一致;六方HfB2的电子结构表明其具有金属性和共价性;计算得到六方HfB2在(100)和(001)方向上的光学线性响应函数随光子能量的变化关系,包括复介电函数、复折射率、反射光谱、吸收光谱、损失函数和复光电导谱,计算得到其静态介电常数在(100)和(001)方向上分别为47.92和27.77,折射率分别为6.93和5.27,计算结果表明了六方HfB2在(100)和(001)方向上具有光学各向异性,这为六方HfB2的应用提供了理论参考数据.     

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。