连接在块体电极之间的PTCDI系列分子体系的输运性质

通过采用密度泛函理论与非平衡格林函数的相结合的第一性原理方法,对四甲酰二亚胺系列分子PTCDI-Cn(n=0,6)的电荷输运性质进行了理论计算.在计算中,PTCDI-Cn(n=0,6)分子分别与Al,Li以及石墨烯3种块体电极组成三明治结构分子结.从电流-电压曲线可知PTCDI-C6分子结体系中出现了负微分电阻以及整流等输运性质.结合透射谱以及投影态密度,对其输运性质进行了相应的分析.计算结果表明这类PTCDI系列分子在将来的分子尺度器件中具有较大的应用价值.     

Bi_2Se_3、Bi_2Te_3和Sb_2Te_3的声子和热力学性质的第一性原理研究

基于第一性原理的密度泛函理论,在未考虑和考虑自旋-轨道耦合(SOC)的情况下分别优化拓扑绝缘体Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3的结构,计算它们的声子谱及热力学性质.基于广义梯度交换相关泛函及SOC效应,计算得到三种物质的声子频率比不考虑SOC时更吻合实验数据.最后计算出三种物质的赫尔姆赫兹自由能F,内能E,等体热容CV和熵S随温度的变化趋势.     

Al晶界中Ti杂质效应的第一性原理计算

基于局域密度泛函理论,对AlΣ9倾侧晶界中掺杂Ti后超晶胞原子和电子结构的变化用第一性原理的赝势方法进行了模拟计算,进而研究了Ti偏析对Al晶界的影响。计算结果表明,与纯Al晶界相比,引入杂质Ti后,超晶胞的晶界略有膨胀,晶界处的电子密度明显增加,Ti原子与Al原子间形成了较强的具有共价—金属混合性质的化学键,其脆化机制可归于"bond mobility model"。     

Sr3AlO4F晶体中掺杂Ba2+,Ca2+离子占据不同Sr2+格位倾向性的第一性原理研究

通过比较第一性原理计算总能量得出碱金属离子Ba2+和Ca2+取代占据氟氧化物晶体Sr3AlO4F中两种不同Sr格位时,Ba2+倾向占据10配位的Sr(1)位,而Ca2+倾向占据8配位的Sr(2)位,与实验分析结果一致.基于上述优化结构,通过键价求和计算和畸变指数分析,得出Sr3AlO4F中Sr(1)格位离子严重未饱和成键,倾向于被较大Ba2+离子取代占据;而Sr(2)格位离子略微过饱和成键,倾向于被较小Ca2+离子取代占据.     

Au／MgO（001）界面上Au原子与点缺陷相互作用的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,系统地研究了Au／MgO（001）界面中8种晶格匹配方式的电子结构和化学键特征．界面处原子间距、界面能以及电子密度分布显示不同点缺陷与Au原子层相互作用的微观机制存在明显差异,并且界面体系稳定性和Au原子生长模式与界面原子排列方式密切相关．     

钨/石墨烷/钨第一壁材料缺陷与力学性能的第一性原理计算

托卡马克装置是实现可控热核聚变的主要装置之一, 而第一壁材料在确保托卡马克装置稳定运行的过程中起着至关重要的作用. 钨金属已被广泛使用作为第一壁材料, 但是聚变反应产生的氦原子在进入钨晶体后易形成"氦气泡"和点缺陷, 严重影响托卡马克装置第一壁材料的稳定性. 首次设计将钨/石墨烷/钨体系作为第一壁材料. 第一性原理计算结果表明, 钨/石墨烷/钨第一壁材料中的界面可以捕获氦原子和空位, 且能促进自填隙钨原子与空位复合, 从而降低钨体相中的缺陷密度; 弹性常数计算结果表明, 石墨烷层的存在可以提高钨金属的柯西压力值($C' $)和各向异性因子($A$), 使第一壁材料的延展性得以提高, 且不易出现裂纹, 但是在相同温度下钨/石墨烷/钨第一壁材料的力学模量有所下降; 利用准简谐德拜模型计算吉布斯自由能 $G^*$、定容热容$C_\mathrm V$、熵($S$)等热力学函数结果表明, 钨/石墨烷/钨第一壁材料的热力学稳定性与纯钨金属相比有所下降.     

金属铝高压下热力学性质的第一原理研究

采用第一原理框架下的赝势平面波方法,计算研究了立方Al晶体的点阵常数、体积和能带.计算结果与实验值及前人的理论结果一致.采用准谐波近似模型研究了Al的热容、热膨胀系数和德拜特征温度等热力学性质.结果表明:Al的价带以孤立带和近自由电子带两种形式存在,表现出典型的金属特征.热容随着温度的升高快速增大,逐渐达到最大值24.68 J·mol-1·K-1.     

单双层石墨烯的制备及电导特性调控

石墨烯二维材料有着优异的物理、化学特性,在多个科学领域展现出广阔的应用前景.采用化学气相沉积方法在Cu-Ni合金表面制备了二维石墨烯薄膜并揭示其生长机制;研究生长时间、温度等对石墨烯覆盖度和晶格质量的影响.通过优化生长条件,成功制备了大面积单层及具有强烈层间耦合作用的AB堆叠双层石墨烯薄膜.进一步运用表面沉积技术在单层石墨烯上构建零维Au团簇和二维Au薄膜,研究其对石墨烯电导特性的影响;并结合第一性原理计算,揭示Au的形态及覆盖度影响石墨烯电导特性的规律.据此制作了石墨烯场效应晶体管器件,通过精确控制Au的覆盖度,实现石墨烯电导类型和载流子浓度的有效调控,拓展了其在微电子领域的应用.     

二维Ta4C3O2电子结构的拓扑性质

过渡金属碳化物和氮化物也被称为MXenes材料,是一类具有独特性质的新型二维材料.经第一性原理计算发现,二维Ta₄C₃O₂的电子结构可能具有拓扑性质,而Ta₄C₃已被成功制备,Ta₄C₃O₂可通过表面功能化实现制备.这些结果将为研究MXenes材料的拓扑性质提供有利借鉴,也为今后的实际应用奠定基础.     

N/Zr共掺杂锐钛矿型TiO_2光催化协同作用机制的第一性原理研究

采用平面波超软赝势法计算了N,Zr单掺杂和共掺杂锐钛矿型TiO2的电子结构和光学性质.根据能量最低原理比较了不同替位掺杂构型的最稳定结构,而后分析单、共掺杂构型中各自的能带结构,通过计算态密度及分波态密度分析了其光学性质改善机制.此外通过分析体系的电荷密度图得出N与Zr有团簇成键的趋势.对不同掺杂体系的光学性质进行了对比分析,发现共掺杂方法可以有效增强TiO2材料对可见光的吸收以促进其更好的利用太阳能.本文的理论计算和分析将有助于理解共掺杂方法提高TiO2光催化效应的协同作用机制.