单原子Al修饰空位缺陷V2C(MXene)对H_(2)气体表面吸附的第一性原理研究

基于第一性原理计算方法,对含空位缺陷的V2C(MXene)在不同位点修饰单原子Al的相关性能进行系统研究.研究表明,几何优化后得到含空位缺陷的V2C稳定结构表面能为-3075.53 J/m2,单原子Al修饰本征V2C单原子的吸附能为1.5511eV、单原子Al修饰空位缺陷V2C的吸附能为-2.0763 eV,这表明含空位缺陷的V2C,由于单原子Al的修饰可以明显改善晶体结构稳定性.进一步从态密度、分波态密度、吸氢能力研究发现,各体系态密度和分波态密度均出现分波越过费米能级的现象,表现出较强的金属性;V2C吸附H_(2)气体分子吸附能为-7.5867 eV,而空位缺陷V2C和单原子Al修饰空位缺陷V2C两个体系对H_(2)气体分子的吸附能仅为-0.9851 eV、-2.7130 eV,均未能进一步改善V2C对H_(2)气体分子的吸附性能,这对于储氢材料研发提供了一定的理论指导.

体空位缺陷对氧化铝二次电子发射特性的影响分析

基于第一性原理和蒙特卡罗模拟方法,系统地研究了氧化铝晶体内部O空位缺陷和Al空位缺陷对二次电子发射特性的影响.密度泛函计算结果表明,空位缺陷会导致能带结构发生改变,其中Al空位缺陷的存在使得禁带宽度变窄,费米能级降低至价带内部.在此基础之上,获得了不同晶体结构下的弹性和非弹性平均自由程.氧化铝中存在Al空位缺陷时的弹性平均自由程最大,而存在O空位缺陷时的非弹性平均自由程最大.为了分析不同缺陷浓度下的二次电子发射特性,对已有蒙特卡罗模拟算法进一步优化.模拟结果表明,随着O空位和Al空位缺陷占比的增加,最大二次电子发射系数随之而下降.相比于Al空位缺陷,相同缺陷占比下O空位缺陷导致二次电子发射系数降低更多.

B位空位补偿型钐掺杂PZT(54/46)陶瓷中的缺陷分析及其对压电性能的影响

-用固相反应法制备了B位空位补偿型钐掺杂非准同型相界组分PZT(54/46)陶瓷.通过正电子湮没寿命谱(PALS)和符合多普勒展宽能谱(CDBS)对陶瓷中的缺陷结构进行综合表征,结合常规表征手段如X射线衍射(XRD),电子扫描显微镜(SEM),介电、铁电和压电性能测量,研究缺陷对陶瓷压电性能的影响.XRD结果显示所有陶瓷均为纯钙钛矿相,掺杂诱导了菱方-四方(R-T)相变,准同型相界位于Sm掺杂量x=0.010.02.电学测量结果反映:介电、铁电和压电性能均先增强后减弱,MPB附近两个样品都有优异的介电和铁电性能,但其压电性能差别很大.x=0.01给出最优压电性能d_(33)=572 p C/N,较未掺杂样品增强了一倍.PALS结果表明掺杂使陶瓷中缺陷类型发生变化,x≤0.01,样品中同时含有A位空位与B位空位;x≥0.02,样品中以A位相关缺陷为主,B位空位浓度很低.CDBS结果进一步证实x=0.01和0.02中B位空位浓度分别是该体系中最高和最低的.由以上结果推断出:x=0.01获得的最优压电性能与其中较高浓度的B位空位有关,B位空位可稀释A位空位浓度,降低氧空位浓度,从而降低A位空位与氧空位形成缺陷偶极子的几率,促进畴壁运动,使压电性能增强.

锑化铟晶体空位缺陷的正电子湮灭研究

锑化铟晶体材料的电学性能是影响最终制备的红外探测器件性能的关键因素。材料内部的杂质以及点缺陷特别是空位缺陷会极大的影响材料的电学性能,有时甚至会导致材料反型。本文利用正电子湮灭谱对锑化铟晶体材料的空位缺陷类型进行了研究,同时还对不同晶体生长拉速、导电类型晶体材料的正电子湮灭寿命进行分析。结果表明其内部主要为V In型空位缺陷,且在一定拉速范围内,正电子湮灭寿命基本无变化,此外空位缺陷也不是导致N型锑化铟晶体材料导电类型反型的主要原因。

基于BaMgSiO_(4)氧空位缺陷发光的可视化荧光温度传感材料

温度是表征物理化学性质的最基本参数之一,精确的温度测量对于现代科学技术发展起着至关重要的作用。传统基于稀土离子热耦合能级对(TCLs)能量传递的荧光温度传感器因TCLs之间能量差的限制存在测温灵敏度低及信号区分困难等问题。为寻求更优的解决方案,本研究探索了氧空位缺陷发光在荧光温度传感器领域的应用前景。本文通过高温固相法合成了BaMgSiO_(4)陶瓷,由于在高温烧结过程中有少量Ba^(2+)和Mg^(2+)蒸发,陶瓷中会产生氧空位以保持材料电中性。这些氧空位所形成的缺陷能级在332 nm紫外光激发下,发射出372,400,527 nm三种波长的发射光。这三种发射光强度对温度有着不同的敏感性,使得其能够良好应用于荧光温度传感领域。其中,I372和I527组成的温度传感系统相对测温灵敏度在298 K时为2.90%·K^(-1),高于传统TCLs荧光温度传感器的测温灵敏度,突破了TCLs温度传感器的灵敏度天花板。另外,由于372 nm和527 nm波长相差较大,使得BaMgSiO_(4)陶瓷有着室温下绿光发射到458 K高温下蓝光发射的显著变化,实现了温度监控可视化。因此,BaMgSiO_(4)陶瓷因其独特的氧空位缺陷发光特性,为开发荧光温度传感器提供了一种高精度和可视化的新选择,为荧光温度探测技术提供了一条新思路。

空位缺陷硅烯纳米带结构与自旋极化电子性质的密度泛函紧束缚研究

随着纳米电子器件和自旋电子学的不断发展,对小尺寸的纳米硅材料物理和化学性质的研究是研发新型微电子材料器件的基础.硅烯纳米带在实验制备和理论研究中均备受关注.本研究利用基于自洽电荷的密度泛函理论紧束缚方法,研究了不同宽度的硅烯纳米带的结构、稳定性和自旋极化电子性质.研究发现,稳定的完美和带有空位缺陷的硅烯纳米带表现为带有曲翘褶皱的蜂窝结构.纳米带边缘的曲翘度大于中心位置.空位缺陷更容易出现在纳米带边缘.纳米带的宽度可实现完美的硅烯纳米带的半导体性质和金属性之间的转换.硅烯纳米带中出现空位缺陷可有效调控纳米带自旋电子性质从半导体向金属性转变、半导体向半金属性转变,及金属性向为半导体或者半金属性质的转变.这种自旋电子性质的调控手段使得该种纳米材料在纳米电子自旋器件上有着潜在的应用价值.

单空位缺陷对二维δ-InSe稳定性的影响

二维InSe半导体材料由于其优异的电学性能以及适中可调的带隙等优点,引起了研究者的关注.材料中的空位缺陷不仅影响材料的光电学特性,还影响材料的环境稳定性.相比于InSe材料中的其他相,δ-InSe具有更优异的材料性能,然而关于对该材料环境稳定性影响的研究未见报道.本文基于密度泛函理论,系统研究了O_(2)环境下二维δ-InSe材料的稳定性问题.结果表明:1)在O_(2)环境下,完美δ-InSe表面具有良好的惰性和稳定性,O_(2)分子在其表面从物理吸附到解离吸附需要克服1.827 eV的势垒;2)Se空位(V_(Se))的存在则会促进δ-InSe的氧化反应,被氧化的过程仅需克服0.044 eV的势垒,说明V_(Se)的存在使δ-InSe在O_(2)环境下的稳定性显著下降,此外被O_(2)分子氧化的δ-InSe单层有利于H_(2)O分子的解离吸附;3)含有In空位(V_(In))的δ-InSe被氧化的速率较慢,O_(2)分子在V_(In)表面的物理吸附的吸附能和电荷转移与完美表面基本一致,被氧化的过程需克服1.234 eV的势垒.这一研究结果将为更好地理解单空位缺陷对δ-InSe单层的氧化行为提供理论指导,同时为高可靠二维δ-InSe器件的实验制备提供参考.

更正:体空位缺陷对氧化铝二次电子发射特性的影响分析[物理学报2024,73(15):157902]

《物理学报》2024年第73卷第15期第157902页《体空位缺陷对氧化铝二次电子发射特性的影响分析》一文中,因作者疏忽导致图4和图5纵轴题变量单位标注错误,特此改正,并诚挚地向读者致歉.具体更正内容如下:图4、图5的纵轴题分别改为IMPF/Å,EMPF/Å.

银改性的空位缺陷发光Cu_(3)I_(4)(Gly)_(3)/Ag的制备及性能研究

采用溶剂挥发法合成了银杂化改性的碘铜簇金属有机骨架Cu_(3)I_(4)(Gly)_(3)/Ag。通过傅里叶红外光谱、热重分析谱图、X射线衍射光谱、X光电子能谱、扫描电子显微镜分析和荧光光谱,研究了发光配合物的晶体结构与发光性能。结果表明,引入银形成空位的碘铜簇和甘氨酸构建的发光配合物为四方晶系结构,空间群为F43m。Ag^(+)的引入使得Cu^(+)的电子向Ag^(+)转移形成Ag,产生空位缺陷,增加了缺陷发光中心数量,提高了发光量子效率,同时过多缺陷诱导发光激子产生非辐射复合以及形成更强正电性的Cu^(+)通过甘氨酸配位进行保护,能提高发光配合物的发光效率。当温度从298K升高至403K时,Cu_(3)I_(4)(Gly)_(3)/Ag的荧光强度依然保持初始发光强度的68.56%。其色坐标位于(0.5357,0.3576)的橙红色区域,量子效率为1.95%,具有出色的发光性能和良好的热稳定性能,是一种应用前景广泛的新型发光防伪材料。

空位缺陷对TKX-50感度、力学性能及爆轰性能影响的分子动力学模拟

采用分子动力学方法探究了一系列空位缺陷浓度(0%,1.56%,6.25%和12.5%)对1,1′-二羟基-5,5′-联四唑二羟胺盐(TKX-50)感度、力学性能和爆轰性能的影响。首先建立TKX-50完美晶体模型和空位缺陷模型,并验证研究所采用的Dreiding力场的正确性和有效性。然后对模型进行几何优化和分子动力学模拟,研究发现,空位缺陷导致TKX-50的内聚能密度减小、总氢键数目减少,表明含空位缺陷的TKX-50感度增加,安全性降低;并且随着空位缺陷的增多,羟胺阳离子间的氢键数目几乎不变,联四唑阴离子上以氧原子为氢键受体的氢键数目与其他氢键相比明显减少。另外,空位缺陷使得TKX-50的体积模量(K)、拉伸模量(E)和剪切模量(G)分别降低了1.530~4.122 GPa、3.066~10.652 GPa、1.216~4.202 GPa,表明随空位缺陷浓度的增加,TKX-50晶体的刚度下降。所有模型的柯西压(C_(12)-C_(44))为正,表明所有模型均表现出延展性,且K/G值与泊松比(γ)随空位缺陷浓度的增加而增加,表明空位缺陷的增多使得TKX-50的韧性和塑性都得到增强。此外,空位缺陷还使得TKX-50的爆速和爆压分别降低了93~317 m∙s^(-1)和1.0~3.5 GPa,表明缺陷晶体的毁伤威力降低。

空位缺陷和原子掺杂对氮化镓热导率影响的分子动力学模拟

针对氮化镓(GaN)基电子器件散热的背景,基于非平衡分子动力学(NEMD)方法研究了空位缺陷和原子掺杂对GaN晶格热导率的影响。结果表明,空位缺陷和原子掺杂会造成GaN热导率的显著变化。当温度相同时,含空位缺陷的GaN热导率低于完整GaN的热导率。在空位缺陷结构中,缺氮空位(VN)GaN的热导率低于缺镓空位(VGa)GaN的热导率。随着温度的上升,两种空位缺陷GaN的热导率都随着温度的上升而下降。在原子掺杂率为3.13%的GaN结构中,相同温度时,GaN结构掺杂铁(Fe)、镁(Mg)和硅(Si)的热导率较完整GaN热导率有所降低。在300 K至600 K范围内,掺杂同种原子的GaN热导率在300 K时最高。三种掺杂体系的GaN热导率都随着温度的上升而降低。该研究可为相关领域的GaN电子器件热管理应用提供理论参考。

二维氮化镓中空位缺陷研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了二维氮化镓(2D-GaN)平面和翘曲结构中电中性Ga空位(V_(Ga))和N空位(V_(N))的形成能、能带结构及电子态特性。采用杂化泛函方法,计算了含Ga空位的2D-GaN(2D-GaN-V_(Ga))和含N空位的2D-GaN(2D-GaNV_(N))缺陷体系的电子结构。结果表明,在2D-GaN平面结构中,V_(N)缺陷形成能量低于V_(Ga)的能量,说明V_(N)缺陷更容易形成。在2D-GaN翘曲结构中,V_(Ga)缺陷形成能量低于V_(N)的能量,说明V_(Ga)缺陷更容易形成。在2D-GaN平面和翘曲两种体系结构中,V_(Ga)均为受主缺陷,V_(N)均为施主缺陷。研究结果对系统地理解2D-GaN及其缺陷模型的性质有重要意义,为发展基于2D-GaN的大功率器件、深紫外光电器件和光通信等领域提供理论参考。

构筑富含阳离子缺陷的贫P-Ni_(2)P和富P-CoP_(3)异质结用于增强尿素/肼电催化氧化反应

废水中存在的肼和尿素会对环境造成严重污染。利用电化学氧化技术处理含肼和尿素的废水,既可以有效处理废水,实现氮循环,又能将肼和尿素作为新型燃料,有助于新能源的发展。然而,目前实现肼氧化(HzOR)和尿素氧化(UOR)的电化学技术仍存在挑战。因此,开发低成本、高效且稳定性好的电催化剂是实现这一技术的先决条件。在本文中,我们采用水热-碱刻蚀-磷化的三步方法,制备了一种富含阳离子缺陷的双金属磷化物Ni_(2)P/CoP_(3)催化剂(简称Ni_(2)P/CoP_(3)-Zn^(vac)),并将其应用于肼氧化和尿素氧化。该催化剂由贫磷的Ni_(2)P和富磷的CoP_(3)两种不同性质的磷化物组成。CoP_(3)中富集的磷含有大量的负电荷,有利于吸附带正电荷的中间物种;而Ni_(2)P中磷含量较少,金属含量高,具有良好的导电性,可以确保快速的反应动力学。通过物理表征和电化学测试,证实了Ni_(2)P/CoP_(3)的成功合成和其独特的电子结构。电子顺磁测试(EPR)证明了阳离子空位的存在,大量的阳离子空位缺陷有助于增加活性位点的数量,从而提升催化性能。因此,该催化剂在肼氧化和尿素氧化方面表现出色。仅需-47 mV(HzOR)和1.311 V(UOR)的电位即可产生10 mA·cm^(-2)的电流密度。Tafel斜率分别为54.3 mV·dec^(-1)(HzOR)和37.24 mV·dec^(-1)(UOR)。Ni_(2)P/CoP_(3)-Zn^(vac)在HzOR和UOR方面的性能远优于单独的Ni_(2)P和CoP_(3),也优于未经碱刻蚀的镍钴磷化物。基于以上的测试结果,我们将Ni_(2)P/CoP_(3)-Zn^(vac)催化剂应用于直接肼燃料电池(DHzFC)和直接尿素-双氧水燃料电池(DUHPFC)的阳极,测试表明DHzFC和DUHPFC的最大功率密度分别为229.01和16.22mW·cm^(-2)。更为重要的是,DHzFC和DUHPFC能够稳定工作24 h,性能几乎不衰退。此外,Ni_(2)P/CoP_(3)-Zn^(vac)材料还可应用于自制的锌-肼燃料电池,并展示出良好的实际应用潜力。综上所述,本研究通过一系列方法制备了Ni_(2)P/CoP_(3)-Zn^(vac)催化剂,该催化剂在肼氧化和尿素氧化方面具有优异性能。这项工作为设计高效且稳定性好的肼氧化和尿素氧化电催化剂提供了新的思路。

含空位的二维GaN电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论,计算了二维GaN及其Ga、N空位体系的电子结构和光学性质,通过形成能的计算分析了空位缺陷体系的稳定性,然后进一步计算了各体系的电子结构,分析并讨论了空位缺陷对吸收光谱的影响。计算结果表明:Ga-N空位体系形成能最小,该结构最容易形成;Ga空位体系产生的缺陷能级使二维GaN呈现p型半导体特性,反之N空位缺陷呈现n型半导体特性,缺陷能级的出现有利于提高二维GaN电子迁移率以及光响应能力;各空位体系的吸收光谱均发生红移,其吸收系数在低能区域均大于本征二维GaN,这说明Ga、N空位的产生可以提升二维GaN对可见光的吸收能力。

常见点缺陷对硅光电池响应特性的影响

研究了硅光电池中常见点缺陷对器件在激光辐照下的响应特性的影响。根据第一性原理建立了晶胞模型,比较了空位缺陷以及含Fe,Cu杂质状态下硅材料的态密度图,在此基础上分析了常见点缺陷对硅光电池响应特性的影响。由于半导体材料对温度敏感,当光电池受激光辐照而出现温度变化时,其光电响应输出特性会发生变化。从光伏器件的光生电动势原理出发,根据响应输出模型以及一维热传导方程,计算了1064nm激光辐照下,空位和金属杂质两种本征点缺陷对光电池响应特性的影响规律。结果表明:空位和金属杂质两种缺陷都能够改变硅材料的能带结构和响应特性。当激光辐照波长为1064nm,功率密度为4×10^(5) W/cm 2时,其中间隙原子为Fe时对材料的电子结构和光学性质的影响最大。此时材料吸收系数高达23952cm^(-1),且量子效率值最大,导致光电池响应最为强烈,输出电压最小。

基于缺陷工程改性富锂层状材料的研究现状

随着长续航纯电动汽车的快速发展,开发高能量密度和低成本的动力电池成为影响其发展的重要因素。富锂层状材料具有高的能量密度和低的成本,有望成为下一代商业化正极材料,但循环过程中层状结构向尖晶石结构转变导致电压和容量快速衰减,限制了其商业化的应用。针对上述问题,本文介绍了富锂层状材料的晶体结构、充放电机制、电压和容量衰减产生机理,基于缺陷工程角度综述了改性方法,最后对富锂层状材料的发展进行了展望。

空位缺陷对方铅矿电子结构及浮选行为影响的密度泛函理论

利用基于密度泛函理论的第一性原理赝势方法,计算含有硫空位和铅空位的方铅矿的电子结构,并讨论空位缺陷对方铅矿可浮性的影响。计算结果表明,铅空位缺陷使方铅矿费米能级降低,带隙变窄;而硫空位缺陷则使方铅矿费米能级升高,带隙变宽,同时,方铅矿的半导体类型由p型变为n型。空位缺陷引起的电荷布居数变化改变晶体中电子运动的状态,从而影响方铅矿的浮选行为。

含空位缺陷黄铁矿(100)表面吸附氢氧根和羟基钙的量子化学研究

采用密度泛函理论方法研究硫空位和铁空位缺陷对氢氧根和羟基钙在黄铁矿表面吸附的影响。计算结果表明,铁空位能减弱氢氧根的吸附,硫空位能促进氢氧根的吸附,而铁空位和硫空位缺陷都能增强羟基钙在黄铁矿表面的吸附。氢氧根在硫空位缺陷形成的活性铁原子上的吸附能力比在铁空位缺陷形成的活性硫原子上的吸附能力强。对于羟基钙分子,在硫空位缺陷存在的情况下氧原子与黄铁矿表面铁原子成键,在铁空位缺陷存在的情况下钙原子与周围的硫原子发生作用,从而促进了钙原子在黄铁矿表面空位缺陷处的吸附。

含空位和杂质缺陷的闪锌矿电子结构的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)的平面波超软赝势方法,研究硫空位、锌空位以及铁和镉杂质对闪锌矿电子结构的影响,分析空位和杂质对闪锌矿的价键结构、能带、态密度、差分电荷密度等的影响。计算结果表明:镉杂质缺陷导致闪锌矿的晶胞参数变大,而硫空位、锌空位和铁杂质均使闪锌矿的晶胞参数变小;硫空位使闪锌矿的带隙变窄,与硫空位相邻的4个锌原子的电荷明显低于其他锌原子的电荷;锌空位使闪锌矿的带隙变宽,费米能级向低能方向偏移,与锌空位相邻的4个硫原子的电荷明显低于其他硫原子的电荷;铁杂质使闪锌矿的带隙变宽,并在带隙中形成一个由铁的3d轨道贡献的杂质能级,费米能级向高能方向偏移;镉杂质对闪锌矿能带结构和态密度的影响较小,在闪锌矿价带-7.5eV处形成一个由镉的4d轨道贡献的能级,Cd—S键布居数下降,共价性减弱。

空位缺陷对氧分子在方铅矿(100)表面吸附的影响

应用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理,采用广义梯度近似(GGA)和平面波超软赝势方法,研究空位缺陷对氧分子在方铅矿(100)表面吸附行为的影响,并比较和分析它们及理想表面的Mulliken电荷布居、电子密度差图和态密度等。结果表明:铅空位比硫空位难形成,两种空位缺陷表面对氧分子有强烈的化学吸附作用,其吸附能均高于理想表面的,说明空位缺陷可以促进氧分子在方铅矿表面的吸附。氧分子在理想表面及铅空位表面发生了解离吸附,氧原子与硫原子形成了共价键;氧分子在硫空位表面没有发生解离吸附,氧原子与表面的铅原子表现出较强的离子相互作用力。