基于密度泛函理论的第一性原理赝势法

第一性原理计算方法有着半经验方法不可比拟的优势,基于密度泛函理论第一性原理赝势法已经成为现代材料计算和设计的重要基础和核心技术。本文对基于局域密度泛函理论的第一性原理赝势法进行了扼要分析。

功能分子结构的组装和单分子物性:基于密度泛函理论的第一性原理计算与扫描隧道显微学(I)

在单个分子的层次上研究低维分子纳米结构的生长,理解组装机制并实现结构与特性的有效控制,是低维体系物理及其器件研究的重要内容。本文在基于密度泛函的第一性原理计算的基础上,对功能分子在金属表面上的自组装特性等进行了综述。对理论方法作了简要介绍后,综述了第一性原理计算方法在研究金属基底上分子自组装结构、界面特性、结构控制、单分子成像机制、单分子量子调控以及单分子输运性能等方面的应用。最后对基于密度泛函的第一性原理计算在解释功能分子组装与界面物理化学特性方面的发展前景进行了展望。

苯妥英分子结构、NMR分析、IR光谱的密度泛函理论与第一性原理计算

使用Gaussian03软件,利用RHF/6-31++G(d,p)和B3LYP/6-31++G(d,p)方法计算了基态苯妥英(phenytoin,C15H11N2O2)的几何结构、红外与拉曼光谱、谐振强度以及原子电荷分布,并将修正后的谐振频率与傅里叶变换红外光谱实验值进行了对比,对红外光谱和振动模式进行了细致分析和解释。在DFT计算和平均势能分布分析的基础上,对实验得到的苯妥英的振动模式进行解释,并提出了一些其他振动模式,进一步得到了标题化合物的红外光谱图和拉曼光谱图。另外,还研究了苯妥英的^(13)C和~1H NMR谱以及分子的其他性质。

硅碳纳米管(8, 0)几何结构和电子结构性质密度泛函理论的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法,在广义梯度近似下,研究了硅碳纳米管(8,0)几何结构和电子结构性质。硅碳纳米管(8,0)是由32个碳原子和32个硅原子,共计64个原子组成的折叠之字形结构。计算结果表明:硅碳纳米管(8,0)的相邻原子碳和硅所构成的Si-C键的平均键长为0.1787nm,平均直径为0.797nm。对电子结构性质的研究是通过将最高占据轨道和最低未占据轨道的能隙进行了分析,实验中得到能带最高占据轨道跟最低未占据轨道为1.344eV,并且其能带最高占据轨道跟最低未占据轨道在同一对称点上,因此定性其为直接带隙半导体。通过对硅碳纳米管(8,0)电子态密度图分析,发现其电子分布的峰值差异较大:电子主要分布在?0.55eV^0.15eV之间,其中?0.35eV^0.3eV和0.12eV^0.15eV之间几乎无电子分布,在?0.15eV~?0.12eV之间电子分布最多。通过本计算模拟研究可对今后硅碳纳米管的结构、性能研究及应用发展提供理论参考。对本研究的支持。

晶体Si能带的密度泛函及第一性原理计算

针对晶体Si在二极管、三极管、晶闸管和各种集成电路中的应用与其能带结构密切相关的问题,采用密度泛函理论及第一性原理的赝势平面波方法,从理论上计算了晶体Si的电子能带.计算结果表明:Si的晶格常数为0.540 nm,与实验参考值相吻合;其价带宽度为11.80 eV,导带宽度为9.58 eV,该结果与其他学者用OPW方法所计算的结果相符合;价带与导带之间的禁带宽度为0.80 eV,进一步说明了Si是良好的半导体材料.

S_2Cl_2异构体最大硬度原理的密度泛函理论研究

在LDA/NL水平研究了最大硬度原理(MHP)在S2Cl2分子旋转异构化过程中的真实性。报告了S2Cl2分子在键的旋转异构化过程形成的各种异构体分子的硬度、化学势和总能量的计算值,并由此得出重要结论:①在分子旋转异构化过程中,硬度最大的分子能量最小,而硬度最小的分子能量最大,用计算的硬度表征S2Cl2异构体的稳定性与计算的总能量表征S2Cl2异构体的稳定性相当吻合,从而使最大硬度原理被进一步证实。②虽然化学势不宜表征异构体的稳定性,但是恒定的化学势是最大硬度原理成立的重要条件。

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.

反应堆合金材料腐蚀的密度泛函理论计算研究现状

经过几十年的研究,对现有反应堆合金材料服役工况下的腐蚀问题及规律已经有了较为清晰的认识,但是依然存在一些待解决的问题,如对反应堆合金材料腐蚀中本质过程的理解,单一因素在腐蚀过程中所起的作用,新材料以及极端环境下的腐蚀行为预测等。基于量子力学的密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)计算可以精确地预测极短时间内原子的运动过程以及相关能量的变化,近年来逐渐成为反应堆合金材料腐蚀过程研究的重要辅助手段,这将有助于解决上述问题。本文首先介绍了DFT方法,主要包括理论基础、发展过程与主流计算软件。然后对DFT理论在反应堆合金材料腐蚀领域应用的研究现状进行了综合论述和分析,包括水冷堆、液态金属冷却堆、熔盐堆介质环境中反应堆合金材料表面的吸附、解离、结合、内部扩散等腐蚀行为。最后展望了DFT应用在反应堆合金材料腐蚀方面的未来发展趋势。

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。

密度泛函理论在光催化中的普遍应用

在低碳发展的背景下,开发利用清洁无污染的太阳能对满足未来日益增长的能源需求至关重要.半导体光催化技术可将太阳能转化为化学能,为可再生能源的发展提供了重要支持.因此,深入理解光催化剂与光催化活性之间的内在关联,对于优化和提升光催化效率至关重要.尽管科研人员在设计开发用于光催化反应的新材料方面付出了巨大努力,但对半导体的内在性质、表面活性位点和催化反应机理之间的深层次联系,仍缺乏充分的理解和认识.基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算是揭示材料内禀电子结构性质和反应过程能量变化的重要工具,正逐渐获得研究者的广泛关注.并且,随着计算方法的不断优化,该领域也取得了显著的进步.本文通过系统梳理国内外代表性研究工作,深入探讨了DFT计算在光催化领域中的广泛应用.首先,总结了DFT计算在光催化领域中的六大优势:(1)预测光催化材料的电子结构,如能带结构、能带间隙和能级;(2)预测表面反应的吸附位点、吸附能等变化;(3)在原子水平上揭示电荷转移过程,包括电子和空穴的运动;(4)阐明光催化剂与底物之间的相互作用;(5)预测光催化材料中空位、间隙和掺杂等缺陷的形成及其影响;(6)阐明光催化反应的机理细节,包括中间物种、过渡态和反应途径等.接着,简要概述了常用于第一性原理计算的软件和计算方法,并特别关注了如何利用不同策略来纠正传统DFT方法对半导体电子结构特性的不适当估计.随后,分析了基于DFT计算的半导体电子和能量特性的典型研究案例,如能带结构、态密度、电荷分布、功函数、形成能和吸附自由能等.此外,还详细阐述了半导体催化剂在多种太阳能驱动反应中的基本应用,包括析氢反应、析氧反应、氧还原反应、CO_(2)还原反应和氮还原反应等.最后,指出了DFT计算在光催化研究中的机遇与挑战,并展望了未来可能的发展方向.综上,本文系统综述了DFT计算在光催化领域中的广泛应用,旨在深入理解光催化反应中“组成-结构-功能”之间的关系,并为未来开发设计用于太阳能到化学能催化转化的高效稳定催化剂提供参考.

通过硫代调控Ga、In、Tl磷酸盐光学性质的第一性原理研究

本文基于第一性原理对磷酸盐与硫代磷酸盐家族中的GaPO_(4)、InPO_(4)、TlPO_(4)、GaPS_(4)、InPS_(4)和Tl_(3)PS_(4)进行系统的对比研究,探究[PO_(4)]^(3-)基团和[PS_(4)]^(3-)基团之间的联系与区别。能带计算结果表明,TlPO_(4)带隙最小(Eg=0.788 eV),InPO_(4)、GaPS_(4)、InPS_(4)和Tl_(3)PS_(4)带隙较大,分别为2.604、2.352、2.360和2.393 eV,而GaPO_(4)带隙最大(Eg=4.487 eV),发现[PS4]3-基团化合物能带结构更加容易预测与调控。态密度计算结果表明,GaPO_(4)、InPO_(4)与TlPO_(4)价带顶均由O-2p轨道贡献,导带底均由阳离子的s轨道及O-2p轨道共同贡献,GaPS_(4)、InPS_(4)与Tl_(3)PS_(4)在价带顶处均由S原子的p轨道贡献,而在导带部分[PS4]3-基团化合物的P原子的p轨道表现更加活跃。通过分析介电函数发现,[PO_(4)]3-基团化合物和[PS4]3-基团化合物的峰值均随阳离子尺寸增大发生红移,且含[PS4]3-基团的化合物具有比含[PO_(4)]3-基团化合物更高的静态介电常数。双折射计算结果表明,GaPO_(4)、InPO_(4)、TlPO_(4)、GaPS_(4)、InPS_(4)和Tl_(3)PS_(4)在波长1064 nm处的双折射率分别为0.017、0.049、0.057、0.247、0.022和0.038,其中GaPS_(4)双折射率最大(0.247),这是由于其内部P—S键与Ga原子对能量较敏感。差分电荷密度与布居分析结果表明,六种化合物的光学效应与能带结构主要受到[PO_(4)]3-与[PS4]3-基团影响。弹性模量分析表明磷酸盐化合物的弹性性质要高于硫代磷酸盐,并且发现In的化合物具有更高的力学稳定性和刚性。

密度泛函模拟计算在激光原理与技术课程中的实践探索

激光原理与技术是一门理论和实践相结合的课程,是物理与光电信息科学工程专业的一门重要的专业课,需要学生具备较为扎实的物理和数学基础。激光原理与技术具有逻辑清晰、知识点多、实用性强等特点,这对学生提出了更高的要求。传统教学过程注重公式推导,在课程讲授过程中,学生普遍认为该课程较为抽象,理解困难,这种教学方式不利于教学活动的展开。教研组结合科研和教学过程中的一些体会,针对激光原理与技术课程中受激吸收这一知识点,结合自身的科研项目,通过密度泛函理论模拟计算,直观地展现受激吸收过程及电子云在不同能级的分布,进而模拟出吸收光谱。这不仅加深了学生对“光与物质相互作用”知识点的理解,提升了学生动手实践能力,促进了学生的学习主动性,也增强了这门课程的趣味性和应用性。

密度泛函理论及其数值方法新进展

综述了密度泛函理论及其数值方法的最新进展。密度泛函理论的发展以寻找合适的交换相关近似为主线 ,从最初的局域密度近似、广义梯度近似到现在的非局域泛函、自相互作用修正 ,多种泛函形式的相继出现使得密度泛函理论可以提供越来越精确的计算结果。除了交换相关近似的发展 ,近年来密度泛函理论向含时理论、相对论等方面的扩展也很活跃。另外 ,在密度泛函理论体系发展的同时 ,相应的数值计算方法的发展也非常迅速。从古老的有限差分、有限元到新兴的小波分析都被用来实现密度泛函理论的数值计算。与此同时 ,线性标度的密度泛函理论算法日趋成熟 ,使得通过密度泛函理论研究诸如生物大分子之类的体系成为可能。随着密度泛函理论本身及其数值方法的发展 ,它的应用也越来越广泛 ,一些新的应用领域和研究方向不断涌现。

ZnO能带及态密度的密度泛函理论研究

本文采用基于密度泛函理论框架下第一性原理的平面波赝势方法,并采用局域密度近似(LDA)理论和ABINIT软件对ZnO电子结构进行了计算。得到了ZnO的能带和态密度曲线。研究表明,ZnO的价带基本上可以分为三个区域,即下价带区、上价带区和位于-18.1eV处的宽度为1.1eV的价带;导带部分主要是由Zn的4s态贡献的,O的2p态在该区域内具有微弱的贡献;ZnO是一种直接宽禁带半导体,导带底和价带顶位于布里渊区中心处,带隙为0.9eV,相对比较该结果优于一些文献给出的计算值。

金属Cu、Ag、Au原子间势函数的密度泛函理论研究

根据密度泛函理论(DFT)发展了直接计算得到原子间势函数的方法,计算了Cu、Ag、Au的原子间相互作用,讨论了密度泛函势(DFP)和相关文献中势函数的差别,比较了几种计算方法对结合能、空位形成能、平衡距离及力学性质的影响。DFP计算依据密度泛函理论,综合考虑了键角、键方向性、背景电势、电子云分布、键合力和系统总能量等特点,根据Morse函数拟合得到势函数曲线。计算结果表明面心立方结构Cu、Ag、Au的平衡距离依次为:0.2554、0.2887、0.2884 nm;结合能为:-3.83、-3.015、-3.551 eV。对力学性质的计算表明,DFP的计算精度与相关文献吻合较好,其存在的不足还有待于交换相关能的精确表达式进一步提出来进行改进。DFP的计算简洁,较其它多体势及经验势函数的计算方法相对简单和容易,有望发展为新的势函数求法,为解决复杂体系分子动力学的相关研究提供一条行之有效的方法。

钠离子电池负极材料密度泛函理论研究进展

近年来有关钠离子电池的理论计算和实验研究不断增多,其中第一性原理计算的应用及结果引起国内外学者的研究兴趣。综述了密度泛函理论在钠离子电池负极材料中应用的研究进展,主要包括结构模型、电极电势或电池电压、可逆容量、晶格膨胀及其弹性、钠的存在状态、钠离子的扩散行为和电子导电性。随着研究的逐步深入,通过密度泛函理论计算能够给出电极材料可逆储钠性能的系统解释,并在新材料结构和成分设计方面发挥更重要的作用。

二维金属有机框架电子性质的电场调控:第一性原理研究

本文基于密度泛函理论(DFT)方法,提出了一种基于钴和铜原子的二维金属有机框架(MOF)。通过声子谱的计算发现没有出现虚频率,验证了MOF晶体结构的稳定性。基于电子能带结构的计算,通过施加外电场,可以发现Cu基MOF始终保持金属的特性。然而,Co基MOF在外电场作用下会发生从金属到半导体的转变。当电场强度达到0.5 eV/时,Co基MOF的带隙约为0.1 eV,而Cu基MOF则不会出现这种情况。此外,还研究了Co基MOF对N_(2)的吸附和氮还原反应(NRR),结果表明Co基MOF的NRR表现良好,电场可以增强NRR的效果。在0.5 eV/的外电场下,自由能比没加外电场的时候低0.51 eV。本文的理论计算有助于实验上MOF的NRR过程设计。

密度泛函理论的基本计算方法研究进展

密度泛函理论(DFT)作为处理多粒子体系的近似方法已经在凝聚态物理、材料科学和量子化学等领域取得了巨大成功并获得广泛应用。综述了密度泛函理论及其数值方法的发展历程和最新进展,重点对基本理论和各类交换关联泛函进行分析,并对DFT的发展趋势做出了展望。

GaSe/ZnS异质结的结构和界面性质的第一性原理研究

本文设计了一种GaSe/ZnS范德瓦耳斯异质结构(vdWH),并用第一性原理计算系统地分析了该异质结构的几何、电子、输运性质。通过结合能、声子谱、从头算分子动力学(AIMD)模拟验证了所构建GaSe/ZnS范德瓦耳斯异质结构的稳定性。详细计算了GaSe/ZnS vdWH界面性质中的平面平均电子密度差和平均静电势。结果表明,GaSe/ZnS vdWH是一种直接带隙为2.19 eV,载流子迁移率较高的异质结构。其中,沿x方向的电子迁移率可达1394.63 cm^(2)·V^(-1)·s^(-1),而沿y方向的电子迁移率可达1913.18 cm^(2)·V^(-1)·s^(-1),性能优异,有望应用于电子纳米器件。

CdnSn(1≤n≤12)团簇结构与电子性质的密度泛函理论研究

采用基于密度泛函理论的Dmol3模拟软件包对CdnSn(1≤n≤12)团簇的几何结构进行优化,并对其能量、频率以及电子性质进行了模拟分析。结果表明,当n=1～3时,团簇的最低能量结构是平面结构;当n=4～12时,团簇的最低能量结构可以看成是由Cd2S2和Cd3S3团簇的最低能量结构连接而成的三维结构。随着团簇尺寸的增大,转移的电荷逐渐增加,转移的电荷量有达到块体中电荷值的趋势。团簇的总能量二阶有限差分,平均结合能以及最高已占据轨道和最低未占据轨道的能隙都显示团簇的幻数为n=3,6和9。