Ce掺杂对LiCoO_(2)电子结构及Li+迁移影响的第一性原理研究

LiCoO_(2)作为锂离子电池正极材料具有优异的体积能量密度。但其在高电压条件下的结构稳定性差,这会导致LiCoO_(2)的性能下降。稀土元素掺杂是改良LiCoO_(2)性能的有效手段,但掺杂改性机理目前在原子与电子尺度层面尚需进一步明确。采用第一性原理计算方法,研究了Ce掺杂对LiCoO_(2)电子结构及Li+迁移性质的影响机理。结果表明,Ce掺杂显著扩大了晶胞体积,降低了晶胞内的电荷密度,减少相互作用的强度,使晶胞更加稳定。LiCoO_(2)在Ce掺杂后由半导体特性转变为金属性,增加了载流子密度,提高了材料的导电性能。经过Ce掺杂后,Li+的迁移势垒相比未掺杂时降低了93.12%。这主要是因为Ce掺杂导致Li层厚度增加,使得锂离子更容易发生迁移,从而提升电池的功率密度和循环寿命。

单轴应变对本征和N掺杂4H-SiC电子结构的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了单轴应变对本征和N掺杂4H-SiC电子结构的影响.研究表明应变可以有效调控本征和N掺杂4H-SiC的带隙,在拉应变作用下,带隙单调减小;而在压应变作用下,带隙先增大后减小,当压应变为-1%时,带隙达到最大值.对态密度的分析可知本征和N掺杂4H-SiC的价带顶主要来自Si 3p和C 2p态电子,导带底主要来自Si 3p态电子,C 2p态和Si 3p态通过影响价带顶和导带底从而导致应变结构中带隙发生变化.通过Mulliken布局和差分电荷密度分析可知,随着晶格常数的增加Si原子向C原子和N原子转移的电荷减少,同时Si-C原子和Si-N原子之间的共价性减弱.

掺杂单层MoS_(2)电子结构与光催化性质的第一性原理计算

为了提高MoS_(2)的光催化能力,本研究基于第一性原理平面波赝势方法,对Cr、W、Fe、Co、Ni替换单层MoS_(2)晶格中的Mo进行研究.结果表明:W的替换能为正值,Cr、Fe、Co、Ni的替换能为负值.Cr、W掺杂晶格产生畸变主要是杂质原子的共价半径引起的;Fe、Co、Ni掺杂晶格产生畸变主要是掺杂原子的自旋导致的.Cr、W、Fe、Co、Ni掺杂单层MoS_(2)带隙类型没有发生改变,仍然为直接带隙,但禁带宽度变小,吸收带红移,尤其Fe、Co、Ni掺杂,导带下方有杂质能级使费米能级向高能方向移动,可以作为捕获电子陷阱,增加电子密度,减少光激发电子-空穴对的复合,有利于提升光催化能力.

α-In_(2)Se_(3)/PtX_(2)(X=S,Se,Te)异质结电子结构调控研究

二维范德华异质结因其无悬挂键界面和无应力失配等特性,在后摩尔时代的高性能电子学领域具备广泛的应用潜力.然而,当前二维范德华异质结的原子结构固定,限制了对其物性的动态调控.因此提出了利用二维铁电材料α-In_(2)Se_(3)与PtX_(2)(X=S,Se,Te)构建范德华异质结,并通过电场调控α-In_(2)Se_(3)的结构,从而实现对α-In_(2)Se_(3)/PtX_(2)原子结构和电子结构的动态调控.基于第一性原理计算,异质结带隙取决于α-In_(2)Se_(3)的极化方向,α-In_(2)Se_(3)/PtS2、α-In_(2)Se_(3)/PtSe_(2)、α-In_(2)Se_(3)/PtTe_(2)带隙分别为1.25/1.66 eV、0.74/1.34 eV、0.34/0.77 eV.此外,α-In_(2)Se_(3)的极化翻转可调控异质结的能带排列类型,α-In_(2)Se_(3)/PtS2能带排列从Ⅰ型变为Ⅱ型;α-In_(2)Se_(3)/PtSe_(2)能带排列虽保持Ⅱ型,但能带相对位置发生变化;α-In_(2)Se_(3)/PtTe_(2)能带排列从Ⅱ型变为Ⅰ型.通过二维铁电材料的极化翻转来调控二维范德华异质结电子性质的技术路径,为未来智能电子器件的实现提供了潜在的技术方案.

基于第一性原理C-Cd掺杂ZnO的电子结构和光学性质的研究

借助于计算材料科学和化学的计算机模拟软件Materials Studio,利用密度泛函理论下的第一性原理的计算方法,系统的计算研究了C、Cd单掺杂以及C和Cd共掺杂(不同浓度)ZnO的形成能、电子结构和光学性质.计算结果表明:单掺杂体系当中,C掺杂时形成能是正的,说明掺杂体系不易形成;共掺杂体系当中,所有掺杂体系的形成能均为负的,C-2Cd掺杂时形成能最低;与本征ZnO相比,所有掺杂体系的禁带宽度均有所降低,由于C元素的掺杂,禁带中产生杂质能级,减小电子跃迁所需要的能量;在光学性质方面,所有掺杂体系在低能区域的吸收图谱、介电函数虚部的峰值与本征ZnO相比均有所增大,且在低能区均发生红移,其中C-2Cd掺杂体系的红移程度最为明显且峰值最大.由此说明C和Cd共掺杂有望提高ZnO的光吸收率和光电转化效率,可以扩展其在光电器件领域中的应用.

六方Al_(4)SiC_(4)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)的第一性原理计算方法系统地研究了Al_(4)SiC_(4)的晶体结构、弹性常数、电子结构和光学性质,并对结果进行了理论分析.计算得到的晶格常数和弹性常数均与实验值及其它计算值相符,并说明了六方Al_(4)SiC_(4)的晶体结构是稳定的;计算得到了六方Al_(4)SiC_(4)的体积、剪切、杨氏模量及泊松比与文献值一致,Al_(4)SiC_(4)的禁带宽度为1.076 eV.计算得到了六方Al_(4)SiC_(4)在(100)和(001)方向上的光学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、吸收光谱及反射光谱.在(100)和(001)方向上,计算得到其静态介电常数分别为7.74和8.96,折射率分别为2.78和2.99.计算结果可以为相关应用提供理论依据.

4d过渡金属掺杂单层WS_(2)的电子结构和光学性质研究

WS_(2)凭借独特的物理和化学性质,在电子和光学领域展现出巨大的应用潜力。基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,本文旨在研究单个4d过渡金属原子X(X=Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd)替代掺杂单层WS_(2)的电子结构和光学性质。结果表明,过渡金属原子掺杂后的WS_(2)体系均是放热且稳定的,禁带宽度减小导致电导率增强,电子结构发生显著变化。其中Nb掺杂WS_(2)表现为金属性,Ru掺杂WS_(2)表现为半金属性,Tc、Rh和Pd掺杂WS_(2)诱导了磁性。Nb、Ru、Rh和Pd掺杂WS_(2)体系的介电常数和光折射率增加,掺杂前、后WS_(2)体系均具有良好的透明特性,吸收光谱发生红移,Nb、Ru、Rh掺杂WS_(2)在红外光区的吸收增强,Nb、Rh和Pd在可见光区的吸收增强,特别是Pd掺杂WS_(2)在可见光区吸收效果最佳,在光电探测器方面具有一定应用潜能。

Nb掺杂二氧化钛纳米管电子结构第一性原理计算

TiO_(2)纳米管的结构高度定向且紧密堆积,具有比表面积大、吸附能力强等优点,被广泛应用于光电催化等领域。为了进一步改性TiO_(2)纳米管,本工作通过第一性原理方法计算不同手性的Nb掺杂TiO_(2)纳米管的能带结构、态密度以及电荷密度等电子结构。结果表明不同手性的TiO_(2)纳米管的能带结构不同,Nb掺杂提高了TiO_(2)纳米管的费米能级,降低了禁带宽度。分析态密度可知纯TiO_(2)纳米管的价带主要由O 2p轨道提供,导带主要由Ti 4d轨道提供,而Nb掺杂后Nb 4d轨道会对导带产生贡献。通过分析电荷密度可以进一步得出,与Ti原子相比,Nb原子与O原子之间的相互作用力更强,有利于增强TiO_(2)纳米管的稳定性。

Ruddlesden-Popper层状钙钛矿Bi_(8)Ba_(4)Mn_(8)O_(28)的电子结构与磁性的第一性原理

采用基于密度泛函理论的投影平面波方法,对Ruddlesden-Popper(RP)层状钙钛矿结构Bi_(8)Ba_(4)Mn_(8)O_(28)的电子结构和磁学性质进行了自旋极化计算。由于A位Ba的替位掺杂,造成MnO6八面体发生显著旋转、倾斜等畸变,会对电子结构与磁性产生较大影响,对此进行了充分的讨论。考虑在位库伦作用修正的广义梯度近似(GGA+U)的计算表明,Bi_(8)Ba_(4)Mn_(8)O_(28)基态为铁磁半金属,其半金属能隙3.07 eV,晶胞总磁矩为31μB。Bi_(8)Ba_(4)Mn_(8)O_(28)的晶胞磁矩主要来自Mn原子磁矩的贡献,而Bi、Ba与O原子磁矩相对较小;而半金属性则主要源于Mn 3d自旋向上与自旋向下电子间存在较大的交换劈裂所致。使晶胞承受均匀变形,当其晶格常数在-10%~14%较大范围变化时,半金属性均可得到保持,且其晶胞总磁矩可始终稳定于31μB。

钾掺杂对纤锌矿型氧化锌电子结构和光学性质的影响

针对纯纤锌矿型ZnO禁带宽度较高,不能吸收大部分可见光的问题,采用基于密度泛函理论的第一性原理,构建了钾掺杂ZnO的4种超胞模型,并对4种模型进行几何优化,计算了KXZn1-XO的能带结构、态密度和光吸收性能。结果表明:采用广义梯度近似法(GGA)+U方法计算得到纯氧化锌带隙为3.373 eV,与实验值一致;随着钾掺杂量X的增大,ZnO的禁带宽度Eg出现先增大后减小再增加的现象,KXZn1-XO吸收带发生先蓝移后红移的现象。

B、Cu共掺杂单层g-C_(3)N_(4)电子结构及光学性质的第一性原理研究

g-C_(3)N_(4)是一种极具潜力的绿色半导体光催化剂,但其带隙较宽,对可见光利用率有限。通过元素掺杂可以有效提高g-C_(3)N_(4)的光催化性能,采用第一性原理方法研究了非金属元素B和金属元素Cu共掺杂对g-C_(3)N_(4)电子结构于光学性质的影响机理,结果表明,B、Cu共掺杂g-C_(3)N_(4)(001)表面的最稳定位点为B占据H位点,而Cu占据N2位点。B、Cu共掺杂相比单一B元素掺杂可以使g-C_(3)N_(4)(001)表面的能隙和功函数进一步下降,Cu元素的加入主要改善了B掺杂的g-C_(3)N_(4)(001)表面的电子导通能力以及对光的捕捉能力,从而提高了光催化活性。

四种耐热含能化合物电子结构的第一性原理研究

本文模拟计算了2,2’,4,4’,6,6’-六硝基联苯(HNBP)、2,2’,4,4’,6,6’-六硝基二苯乙烯(HNS)、2,5-二苦基-1,3,4-噁二唑(DPO)和5,5’-双(2,4,6-三硝基苯基)-2,2’-双(1,3,4-噁二唑)(TKX-55)四种耐热含能化合物的分子结构、Mulliken电荷布居、分子静电势(MEP)和Hirshfeld表面,通过研究其分子特性、电子特性以及分子间相互作用,以了解高耐热性含能化合物的耐热机理.结果表明,桥连接结构的复杂性以及分子间强氢键相互作用会增强含能化合物的稳定性.此外,本研究还发现中间基团的加入会对四种含能化合物分子两侧芳香环上碳原子的电荷分布以及分子表面正负静电势区域面积产生一定的影响.

SnO_(2)(110)/FAPbBrI_(2)(001)界面电子结构与光学性质的第一性原理研究

通过基于密度泛函理论的第一性原理对SnO_(2)(110)/FAPbBrI_(2)(001)界面的电子结构及光学性质进行了研究。FAPbBrI_(2)是带隙值为1.58 eV的直接带隙半导体材料,通过构建SnO_(2)(110)和FAPbBrI_(2)(001)的界面模型,发现其晶格失配率为4.28%,界面结合能为-0.116 eV/A^(2),说明此界面结构可以稳定存在。通过态密度(DOS)分析SnO_(2)(110)/FAPbBrI_(2)(001)界面的电子结构,发现了主要由界面处O_(2)p、I 5p、Br 4p、Pb 6p轨道电子杂化形成的界面态。差分电荷密度及Bader电荷分析结果说明在界面处存在明显的电荷转移,这促进了界面处原子之间的成键,提高了界面稳定性。同时,有效的电荷分离也使SnO_(2)(110)/FAPbBrI_(2)(001)界面的光吸收系数相比于SnO_(2)(110)表面和FAPbBrI_(2)(001)表面有了明显提升。

GaS/Mg(OH)_(2)异质结电子结构的第一性原理研究

基于第一性原理计算方法研究了GaS/Mg(OH)_(2)异质结的稳定性、电子和光学性质.结果表明,GaS/Mg(OH)_(2)异质结具有较小的晶格失配率,负的结合能和热力学稳定性而容易构建.异质结的带隙有效降低至2.021 eV,而且具有Type-Ⅱ型能带结构,有利于光生电子-空穴对的空间分离.层间电荷转移诱导的内建电场进一步促进载流子的分离,同时有助于抑制层间电荷的复合.在双轴应变下,异质结的导带最小值和价带最大值的位置分别产生了不同程度的平移,导致带隙发生显著的变化,变化量达到了0.5 eV.而且在拉伸应变下,异质结由间接转变为直接带隙半导体,同时异质结仍保持Type-Ⅱ型能带结构.此外,应变还可以有效地调控异质结的带边位置与水分解的氧化还原电位相匹配(pH=0—7).光吸收谱显示异质结具有较强的光吸收性能,尤其在拉伸应变为3%时,光吸收发生了明显的红移.这些结果表明,GaS/Mg(OH)_(2)异质结具有可调的电子性能而在光电领域有着广阔的应用前景.

MnGa二元合金等静压电子结构与磁性质的研究

为了研究等静压下非稀土磁性材料MnGa合金的电子结构和磁性质,本文在密度泛函理论计算的基础上系统研究了四方MnGa合金在500 MPa等静压下的晶格结构、生成、自旋电子结构和磁性质。结果表明,四方MnGa合金在500 MPa等静压下更容易生成,呈各向异性压缩性质。合金中异类原子之间的距离较小,同类原子之间的距离较大。四方MnGa合金在500 MPa等静压下的能带结构呈金属性导体型。与Ga的d电子相比,四方MnGa合金中Mn的d电子呈现较高的净磁矩,贡献了体系的剩磁。四方MnGa合金呈现弱的亚铁磁性,在500 MPa等静压下净有效磁矩减小。

六方CaCuCh(Ch=N、P、As、Sb、Bi)电子结构和光学性质的第一性原理计算

近年来,p型透明导电非氧化物材料受到了诸多研究者的广泛关注。基于密度泛函理论的第一性原理方法,优化了六方非氧化物CaCuCh(Ch=N、P、As、Sb、Bi)的几何结构,并计算分析了其电子结构和光学性质。计算结果表明,CaCuP、CaCuAs和CaCuSb属于间接带隙半导体,其带隙分别为0.155、0.247和0.065 eV,而CaCuN和CaCuBi的能带穿过费米面,呈现金属性。态密度分析表明,导带主要由Ca-4s和Ch-p态构成,费米面附近的价带主要由Cu-3d态构成,同时杂化了Ch-p态。最后,得到了六方CaCuCh在(100)和(001)方向上的光学性质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、损失函数和光电导谱。结果表明,六方CaCuCh在(100)和(001)方向上具有光学各向异性,这为六方CaCuCh的应用提供了理论依据。

电子结构对单原子催化剂电催化性能影响的研究进展

单原子催化剂由于其独特的电子结构和最高的原子利用率,在各种催化体系中具有广阔的应用前景。调节SACs催化剂的电子结构是其进一步发展的关键,可以通过调节电子性质来优化催化剂的吸附能和键能,从而提高催化活性和稳定性。本文通过SACs的电子结构及其相关知识,对SACs在催化中的作用有了全面的了解。由于电催化是一种减少碳排放和利用可再生能源的技术,并且作为解决日益严重的空气污染问题的方法而受到越来越多的关注,因此高性能催化剂的设计至关重要。为此,讨论了各种电子性质,如能带结构、轨道杂化和相关自旋态等。本文讨论了SACs的电子结构对其电化学催化性能的影响,并探讨了其与SACs活性和稳定性的关系。了解催化过程中电子结构的基本原理,可以为今后各种催化反应中催化剂的设计提供合理的指导。

气体吸附对V掺杂石墨烯电子结构与光学性质的影响

基于密度泛函理论 (DFT )的广义梯度近似 (GGA ),采用第一性原理方法研究了气体分子吸附对V掺杂石墨烯的吸附能、电子结构与光学性质的影响.能带结构计算表明:吸附NO_(2) 分子的V掺杂石墨烯的带隙显著增加,从0 eV变为0.368 eV,由金属性转变为半导体特性,而吸附CO与NH_(3) 分子的V掺杂石墨烯的带隙则变化很小.三种吸附构型 (NO_(2) , CO, NH_(3) )的吸附能分别为-8.499 eV、-2.05 eV和-2.01 eV,说明V掺杂石墨烯对NO_(2) 气体分子吸附最强.进而计算了本征、V掺杂石墨烯及其吸附NO_(2) 分子的光学性质,结果表明:随着V掺杂与吸附NO_(2) 气体,石墨烯介电吸收峰值有所增大,介电峰位向低能量区域移动;本征石墨烯仅吸收紫外光,V掺杂石墨烯吸附NO_(2) 分子可以明显拓宽光吸收的光谱范围;掺杂与吸附使得石墨烯光电导率显著增强,能在红外与可见光区产生光电流.上述结果表明V掺杂石墨烯吸附NO_(2) 后材料电子结构和光学性质明显变化,能够作为光学气敏传感材料检测NO_(2) 气体.

气体吸附对硅锗异质结纳米线电子结构与光学性质的影响

基于密度泛函理论体系下的广义梯度近似(GGA),采用第一性原理方法探讨了沿[112]晶向的硅锗异质结纳米线作为气体传感器检测CO,CO_(2)和Cl2的能力,着重计算了其吸附气体分子前后的吸附能、能带结构与光学性质.几何结构优化计算表明:不同硅锗组分的[112]晶向的硅锗纳米线对CO,CO_(2)和Cl_(2)分子的吸附能的绝对值在0.001 eV至1.36 eV之间,其中Si_(24)Ge_(36)H_(32)对CO_(2)气体的吸附能最大,气敏性能最好.能带结构计算表明:吸附CO和CO_(2)分子的[112]晶向硅锗纳米线能带的简并度明显减小,带隙变化较小;而吸附Cl2分子后的价带顶与导带底之间产生了杂质能级使其带隙减小.光学性质计算表明:Si_(24)Ge_(36)H_(32)纳米线吸附CO, CO_(2)和Cl_(2)分子后的光学性质差异明显,主要体现在吸收谱的范围及吸收峰的峰值上,上述研究结果为[112]晶向Si_(24)Ge_(36)H_(32)纳米线可作为气体传感器敏感材料提供了一定的理论依据.

W掺杂Ti(C_(0.5)N_(0.5))的电子结构及力学性能的理论分析

采用密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法对金属原子W掺杂Ti(C_(0.5)N_(0.5))的晶格常数、弹性常数和电子结构以及电荷布居进行计算和分析,结果表明:W原子可稳定存在于(Ti_(1-x)W_(x))(C_(0.5)N_(0.5))中,但W原子的加入使得(Ti_(1-x)W_(x))(C_(0.5)N_(0.5))体系稳定性下降,增强了原子间的键能,且晶格因替换原子W与Ti的直径大小不同产生畸变,并伴随着W含量的增加会加剧晶格畸变和晶格常数失衡;由弹性常数计算结果表明,适当添加W原子能改善(Ti_(1-x)W_(x))(C_(0.5)N_(0.5))的抵抗外力变形的能力和硬度,同时可以降低晶体的脆性,且当x(W)=12%时,(Ti_(1-x)W_(x))(C_(0.5)N_(0.5))抵抗变形能力和硬度达到最佳,理论硬度HV提高了6%;电子结构计算结果显示,W原子掺杂后费米能级处态密度增加,增强了(Ti_(1-x)W_(x))(C_(0.5)N_(0.5))的导电性,且远高于Ti(C_(0.5)N_(0.5))的导电性;通过差分电荷密度图发现,W原子掺杂替换Ti会与C原子形成极性共价键,可以改善(Ti_(1-x)W_(x))(C_(0.5)N_(0.5))的固有力学性能。