碳化硅纳米带“品”型器件的第一性原理研究

文章基于锯齿形碳化硅纳米带,通过将中间部分结构在空间上进行向上平移,再翻转180°形成异质结,保留碳边缘通道,形成“品”型三端异质结器件,并利用密度泛函理论和非平衡格林函数的计算方法,研究该三端器件的电子输运特性。计算结果表明:无论是在铁磁态还是反铁磁态下,一种自旋电子都能从一端电极经由异质结单边通道渡越到另一端电极,实现了100%的自旋极化电子输运;当对中心区外加栅压时,电流随着栅压增加而减小,当栅压大于0.5 V时,器件内部电子输运通道关闭,2种自旋电子均不能通过三端器件,表明通过栅极电压可以实现对器件内部电子输运能力的调控;若器件受到外力产生形变,只要形变量小于6.7%,电子输运能力几乎不改变。研究结果为基于碳化硅纳米带的纯自旋流器件的设计提供了有力的理论依据。

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.

碳在α-Fe-Cr(110)表面及内部扩散行为的第一性原理研究

内容导读碳钢-奥氏体不锈钢异种钢焊接接头界面区域的碳偏聚现象,严重降低了焊接件的性能和使用寿命,本文基于第一性原理赝势平面波方法从原子层次探讨了C(碳)原子在α-Fe(110)和α-Fe-Cr(110)表面结构体系中占位及偏聚行为。赝势平面波方法是基于密度泛函理论即第一性原理计算不同体系的基态属性,平面波具有标准正交化和能量单一性的特点,引入赝势可以保证计算中用较少的平面波数就可以获得较为可靠的结果。计算结果表明,C原子固溶于α-Fe(110)、α-Fe-Cr(110)表面结构体系中,均形成稳定的结构;α-Fe-Cr-C(110)体系中随着Cr含量的增加有利于减缓C在表界面的偏聚;C原子更易偏聚于α-Fe(110)表界面,这一特点促使C更多的偏聚于碳钢-奥氏体钢界面的碳钢一侧。α-Fe-Cr(110)结构表面的稳定性逐渐增强,形成能力逐渐增大。

GPU集群下第一原理非局部映射势能计算

平面波赝势密度泛函(PWP-DFT)计算是材料计算中应用最广泛的方法,其中映射计算是PWP-DFT方法求解自洽迭代中重要的一部分。针对映射势能计算成为软件加速的瓶颈,提出了针对该部分的图形处理器(GPU)加速算法,其中考虑GPU的特点:1)使用了新的并行机制求解非局部映射势能;2)重新设计了数据分布结构;3)减少内存的使用;4)提出了一种解决算法中数据相关问题的方法。最终获得了18～57倍加速,使每步分子动力学模拟最终降为12 s。详细分析了该模块在GPU平台上的测试时间,同时对该算法在GPU集群上的计算瓶颈进行了讨论。

钛氢合金改进嵌入原子势能的第一原理计算

用第一原理方法计算了钛氢合金的弹性常数、形成热和电子密度因子,在此基础上计算了钛氢合金的体积模量、统一方程中的结构因子、黏附能和平衡距离等改进嵌入原子势能参数.计算结果符合现有的试验值和其他作者的计算值.并进行了相应的分子动力学计算用以验证所得的参数.模拟了氢原子占据∑7(123-0)晶界附近的八面体间隙中心位置的力学行为.对钛氢合金势能中的其他参数也用相同的分子动力学模拟进行了验证.

基于第一性原理计算的Zr微合金化对NiAl力学性能的影响研究

采用第一性原理赝势平面波方法,并基于虚拟晶体势函数近似(VCA),计算分析了合金元素Zr浓度变化对NiAl合金力学性能的影响,以确定Zr可改善NiAl合金低温塑性的最佳含量。对弹性模量的计算分析结果表明,Zr微合金化B2-NiAl晶体在x(Zr)=0.01%附近的硬度最大,延性最差;在x(Zr)=0.02%附近硬度最小,而在x(Zr)=0.05%附近的延性最好;与纯净的NiAl晶体相比,在x(Zr)=0.3%～0.45%区间,Zr微合金化晶体的硬度得到了明显提高,而在x(Zr)=0.03%～0.05%和x(Zr)=0.1%～0.45%区间延性得到了有效的改善。

基于第一原理的Li嵌入路径的计算机模拟

为了研究锂离子电池负极材料InSb的L i嵌入过程,使用基于密度泛函理论的第一原理赝势法,计算了L i离子电池非碳类负极材料InSb在L i嵌入时的125相不同情况下的总能、平衡体积和各相间转换的L i嵌入形成能及相对体积变化等,进而参考电压轮廓实验曲线,筛选出了中间经历两相的最可能的反应路径为L i+In4Sb4→L i1In4Sb4,2L i+L i1In4Sb4→L i3In4Sb4,9L i+L i3In4Sb4→L i12Sb4+4 In;中间经历三相的最可能的反应路径为L i+In4Sb4→L i1In4Sb4,2L i+L i1In4Sb4→L i3In4Sb4,4L i+L i3In4Sb4→L i7In3Sb4+In,5L i+L i7In3Sb4→L i12Sb4+3 In。计算了L i3Sb的晶格常数、总能等,讨论了其能带结构和电子态密度等性质。结果表明:随着L i嵌入到InSb中并生成L i3Sb,其体积略有膨胀,材料发生了由半导体性到金属性又到半导体性的转变。

Al单晶的结合能和晶格常数的第一性原理计算研究

基于密度泛函理论框架下平面波赝势法的VASP软件包可以根据任意给定的一个晶胞棱边长度在原胞内求解Kohn-Sham方程,并算出相应的结合能,当结合能为最小值时,整个原胞的结构最为稳定,此时原胞的长度即为晶格常数。我们采用此方法计算了Al单晶的结合能和晶格常数,计算的结果与实验吻合得很好。

过渡金属氮化物的结合能第一原理计算

本文采用第一原理平面波赝势法计算出过渡金属氮化物的晶格常数,在此基础上计算该类物质晶格原胞的总能量,以及分别计算各单原子能量,进而利用结合能公式计算出该类晶体结合能。计算结果与试验值符合的很好,从而验证了通过第一原理计算可以准确的获得材料的很多特征参数。

Li_3Sn的电子和几何结构:第一原理计算

CuSn化合物在近来的锂电池负极材料研究中引起了相当的重视.使用基于混合基表示的第一原理赝势法,研究了Li插入CuSn完全替代了Cu而且占满所有间隙位置后形成的Li3Sn的电子与几何结构性质.给出了其"结构～能量"关系图,电子能带结构,电子态密度以及电荷密度分布等.

第一性原理计算Cu、Co含量对 CoCuFeNi系高熵合金的影响

随着对高熵合金的深入研究,通过实验建立高熵合金主要元素对合金性能的影响规律与机制,工作量较大并存在较大的不确定性,基于密度泛函理论的第一性原理计算可以很好地解决这类问题。通过计算,可以从原子、分子层面来讨论材料的显微结构和性能。采用基于平面波赝势的CASTEP的方法对CoCuxFeNi(x=0.5,1.0,1.5)高熵合金以及CoxCuFeNi(x=0.5,1.0,1.5)高熵合金进行第一性原理计算,并对晶体结构以及力学性能进行了研究。结果表明,随Cu含量的增加,晶格常数增大,密度不断减小,结合能不断降低,CoCu0.5FeNi的体积模量K、剪切模量G、弹性模量E以及硬度均高于其它Cu含量的CoCuxFeNi高熵合金,但热力学稳定性较差;随Co含量的增加,晶格常数减小,密度不断增大,结合能不断升高,Co1.5CuFeNi的体积模量K、剪切模量G、弹性模量E以及硬度均高于其它Co含量的CoxCuFeNi高熵合金,但其结合能较高,在热力学条件下的稳定性较差。

SrSnO_(3)作为透明导电氧化物的第一性原理研究

SrSnO_(3)是一种钙钛矿结构的宽带隙半导体,透明性高、无毒且价格低廉,是一种有前景的透明导电氧化物的候选者.本文通过第一性原理计算,获得了SrSnO_(3)的电子结构,着重讨论了SrSnO_(3)的本征缺陷、外界元素掺杂的缺陷形成能及过渡能级,筛选出适宜的掺杂元素并指出了对应的实验制备环境,进一步根据带边能量位置对其电导性能机制进行了探讨.计算结果表明,SrSnO_(3)是一种基础带隙为3.55 eV、光学带隙为4.10 eV的间接带隙半导体,具有良好的透明性,电子的有效质量轻,利于n型电导.在富金属贫氧条件下,As,Sb掺杂SrSnO_(3)可以提升n型电导率;SrSnO_(3)的价带顶位于-7.5 eV处,导带底位于-4.0 eV处,其价带顶和导带底的能量位置均相对较低,解释了其易于n型掺杂而难于p型掺杂,符合宽带隙半导体材料的掺杂规律,最后,Sb掺杂SrSnO_(3)被提出为有前景的廉价n型透明导电材料.

基于第一性原理的固体界面摩擦学性能高通量计算研究

基于第一性原理提出了自动构建计算构型-自动提交计算任务-智能分析计算数据的固体界面摩擦性能自动化计算方法,并通过并发-并行同时计算约1000个计算任务,实现了固体界面摩擦性能的高通量计算.以石墨烯/石墨烯滑动体系为例,测试了高通量计算方法的可靠性.结果表明:通过该方法计算的势能面与文献中使用传统方法计算的势能面一致,摩擦系数也与试验结果相符合,从而验证了该方法的可靠性.该方法能够极大地节约科研人员使用第一性原理研究固体界面摩擦性能所需的时间.

C_(3)N带隙调控的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)的第一性原理计算,研究了堆垛方式、层数及外加电场对C_(3)N的带隙调控.考察了AA-1型、AA-2型、AB-1型和AB-2型这4种堆垛结构,计算表明,AB-2型堆垛结构能量最为有利.通过HSE06杂化泛函对带隙进行了精确计算,发现AA型堆垛与AB型堆垛的双层C_(3)N存在较大的带隙差异,AA型堆垛结构的带隙要明显小于AB型堆垛结构.此外,还发现C_(3)N的带隙可由单层的1.21 eV调控到体相的0.69 eV;通过施加外加垂直电场,可以将具有AB-2型堆垛结构的双层、三层和四层C_(3)N半导体调控为趋于零带隙的金属.

闪锌矿结构AlN、AlP、AlAs和AlSb电子结构和光学性质的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论下的第一性原理平面波赝势从头算量子力学方法,对闪锌矿结构AlN、AlP、AlAs和AlSb的电子结构和光学性质进行了研究.分析比较了这些化合物的能带结构、态密度、介电函数及折射率等性质,总结Al与不同Ⅴ族元素形成化合物时的性质变化规律.结果表明,四种材料有着相似的能带结构,都是间接带隙宽禁带半导体,但是在导带底AlN的能态结构与其它三种材料明显不同.随着从AlN到AlSb的变化,光学性质曲线向低能端移动(红移趋势).

金属Zr热力学性质的第一原理研究

应用基于密度泛函与密度泛函微扰理论的平面波赝势方法计算了一组不同晶格常数下hcp结构金属Zr的声子谱及相应的静态总能,由此得到不同晶格常数下的自由能,由准谐近似及自由能极小判据得到自由能与温度的关系,进而计算了金属Zr热膨胀系数、体弹性模量、定容及定压摩尔热容与温度的关系,计算结果在较宽的温度范围内与实验相符．对热膨胀系数,同时应用Debye-Gr(?)neisen模型进行了计算,并与第一原理方法的结果进行了比较．对摩尔热容的计算考虑了电子的贡献,表明在高温区电子热容的贡献不能忽略．

高通量计算二维材料界面摩擦

建立了基于第一性原理方法研究二维材料界面摩擦的高通量计算程序,该程序实现了自动化批量建模、批量提交任务、多任务并发计算,以及计算结果自动收集、处理和图像绘制,使用该程序可以节省时间.采用此程序计算了不同层间距离下双层氮化硼和双层石墨烯的滑移势能面,及层间界面摩擦力和摩擦系数.研究发现,随着层间距离减小,双层氮化硼界面的平均摩擦力近似线性增大,摩擦系数为0.11—0.17,双层石墨烯界面摩擦力先增大后减小再增大,其摩擦系数在12 nN载荷下达到最小值(0.014),这些结果与已有研究结果一致,验证了该计算程序的可靠性.此外还研究了表面氢化和氟化对双层氮化硼界面摩擦的影响,发现氟化氮化硼/氮化硼界面的摩擦系数更低.

单层Nb_(2)SiTe_(4)基化合物的带隙异常变化

传统硫族化合物中阳离子相同时,随着阴离子原子序数的增加,价带顶逐渐升高,带隙呈减小趋势.在A_(2)BX_(4)基(A=V,Nb,Ta;B=Si,Ge,Sn;X=S,Se,Te)化合物中,观察到随着阴离子原子序数增加,其带隙呈现反常增大的现象.为了探究其带隙异常变化的原因,基于第一性原理计算,对A_(2)BX_(4)基化合物的电子结构展开系统地研究,包括能带结构、带边相对位置、轨道间耦合作用以及能带宽度等影响.研究发现,Nb_(2)SiX_(4)基化合物中Nb原子4d轨道能量明显高于阴离子p轨道,其价带顶和导带底主要由Nb原子4d轨道相互作用组成,其带宽主要影响带隙大小.Nb_(2)SiX_(4)基化合物的带隙大小通过Nb—Nb和Nb—X键共同作用于Nb原子4d轨道的宽度来控制.当阴离子序数增加时,Nb—Nb键长增加,其相互作用减弱,由Nb原子4d轨道主导的能带变宽,带隙减小;另一方面,Nb—X键长增加又使Nb原子4d带宽变窄,带隙增加,并且Nb—X键长增长占主导,所以带隙最终呈现异常增加的趋势.

两种具有二次谐波响应的紫外透过氨基磺酸盐A(NH_(2)SO_(3))(A=Li、Na)

通过简便的蒸发方法得到了2种碱金属磺酸盐非线性光学(NLO)晶体,即Li(NH_(2)SO_(3))和Na(NH_(2)SO_(3))。Li(NH_(2)SO_(3))以极性空间群Pca2_(1)(编号29)结晶。Li(NH_(2)SO_(3))的结构可以描述为由[LiO_(4)]^(7-)多面体通过共角连接与NH_(2)SO_(3)-四面体相互连接而形成的三维网络。Na(NH_(2)SO_(3))以极性空间群P2_(1)2_(1)2_(1)(编号19)结晶。Na(NH_(2)SO_(3))的结构可以描述为由扭曲的[NaO_(6)]^(11-)八面体通过共角连接与NH_(2)SO_(3)-四面体相互连接而形成的三维网络。紫外可见近红外光谱表明,Li(NH_(2)SO_(3))和Na(NH_(2)SO_(3))分别具有5.25和4.81eV的大光学带隙。粉末二次谐波发生(SHG)测量显示,Li(NH_(2)SO_(3))和Na(NH_(2)SO_(3))的SHG强度分别为KH_(2)PO_(4)的0.32倍和0.31倍。第一原理计算证实,非线性光学性能主要来自氨基磺酸阴离子和碱金属氧阴离子多面体的协同作用。

Mg_2Sn的Li嵌入形成能的从头计算

Mg2Sn是近来很受重视的锂电池负极材料.使用基于混合基表示的第一原理赝势法,计算了Mg2Sn的各种锂嵌入情况时的形成能以及相应的电子结构.讨论了锂嵌入时的体积变化、能带结构、电子态密度以及电荷分布等性质.计算表明,锂嵌入到主体材料的间隙位置时平均每个锂原子的形成能都大致在2.2eV.