C掺杂β-FeSi2的电子结构和光学特性研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对C掺杂β-FeSi2的几何结构、能带结构、态密度和光学性质进行了理论计算.几何结构和电子结构的计算表明：C掺杂后使得β-FeSi2的晶格常数a和b减少,c变化不大,晶格体积减小;C掺杂后的β-FeSi2能带结构仍为准直接带隙,禁带宽度变窄,直接带隙与间接带隙的能量差值不变, C的掺杂消弱了Fe的3d态电子,费米能级附近的电子态密度主要由Fe的3d态电子贡献.光学性质的计算表明：与未掺杂时相比,介电函数的实部 减少,虚部 的峰值减少并向高能方向有一微小的偏移,吸收系数有所降低.计算结果为β-FeSi2光电材料的应用和设计提供了理论指导.     

C掺杂β-FeSi2的电子结构和光学特性研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对C掺杂p-FeSi2的几何结构、能带结构、态密度和光学性质进行了理论计算.几何结构和电子结构的计算表明:C掺杂后使得β-FeSi2的晶格常数a和b减少,c变化不大,晶格体积减小;C掺杂后的 β-FeSi2能带结构仍为准直接带隙,禁带宽度变窄,直接带隙与间接带隙的能量差值不变,C的掺杂消弱了Fe的3d态电子,费米能级附近的电子态密度主要由Fe的3d态电子贡献.光学性质的计算表明:与未掺杂时相比,介电函数的实部ε1减少,虚部ε2的峰值减少并向高能方向有一微小的偏移,吸收系数有所降低.计算结果为β-FeSi2光电材料的应用和设计提供了理论指导.     

Co掺杂β-FeSi2电子结构及光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对不同Co含量的β-FeSi2的能带结构,态密度、分态密度和光学性质进行了计算和比较.几何结构和电子结构的计算结果表明,Co掺杂使得β-FeSi2的晶格常数a增大,b和c变化不大,晶格体积增大.Fe1-xCoxSi2的能带结构变为直接带隙,禁带宽度从0.74 eV减小到0...     

Ac掺杂β-FeSi_2光电性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)框架下的第一性原理赝势平面波方法,对锕(Ac)掺杂β-FeSi2的几何结构,电子结构和光学性质进行了计算与分析。几何结构的计算表明:Ac掺杂后β-FeSi2晶格常数a、b及c都有所变化,晶胞体积增大。电子结构的计算表明:Ac掺入后导致费米面进入导带,能带结构仍为准直接带隙,但是带隙明显变窄;费米能级附近,总电子态密度主要由Fe的3d层和Si的3p层电子态密度决定,Ac的6d层电子态密度贡献很小。光学性质的计算表明:静态介电常数ε1(0)明显提高,介电函数的虚部ε2的峰值向低能方向移动并且减弱,折射率n0明显提高,消光系数k向低能方向有一微小的偏移,吸收峰增强,平均反射效应变化不大,计算结果为β-FeSi2材料掺杂改性的实验研究提供了理论依据。     

Al掺杂浓度对CrSi2电子结构及光学性质的影响

采用基于第一性原理的赝势平面波方法,对不同Al掺杂浓度CrSi2的几何结构、能带结构、态密度和光学性质进行了计算和比较。几何结构和电子结构的计算表明:Al掺杂使得CrSi2的晶格常数a和b增大,c变化不大,晶格体积增大;Cr(Si1-xAlx)2仍然是间接带隙半导体,掺杂使得费米面向价带移动,且随着掺杂量的增大而更深地嵌入价带中,费米能级附近的电子态密度主要由Cr的3d态电子贡献。光学性质计算表明,随着掺杂量的增大,Cr(Si1-xAlx)2的静态介电常数、第一介电峰、折射率n0逐渐增大,平均反射效应减弱,表明Al掺杂有效增强了CrSi2对光的吸收,能够提高其光电转换效率。计算结果为CrSi2光电材料的应用和设计提供了理论指导。     

稀土掺杂对LiFePO_4性能影响的第一性原理研究

掺杂是提高LiFePO_4体相电子电导率,优化其电化学性能的重要方法之一.稀土元素因具有高的电子电荷、大的离子半径以及强的自极化能力,成为掺杂改性的重要选择.本文利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了稀土元素(La,Ce,Pr)掺杂的锂离子电池正极材料LiFePO_4的性质.计算结果表明,稀土元素掺杂均不同程度地增加了 LiFePO_4的晶格常数和晶胞体积.在脱锂过程中,稀土掺杂后材料体积变化率明显减小,材料的循环性能提升,但电池能量密度下降.稀土掺杂使LiFePO_4由原来的半导体特性转变为金属特性,增加了材料的电子电导率.力学特性的计算表明稀土显著增加了 LiFePO_4材料的延展性.另外,La和Ce掺杂后的LiFePO_4在Li离子迁移过程中表现出复杂的能垒变化,在远离稀土离子处迁移势垒呈现出不同程度的减小,而在靠近稀土离子处迁移势垒起伏较大.与Ce掺杂相比,La掺杂造成的离子迁移势垒的变化程度更大,表明稀土离子掺杂对体系局域结构产生较大的影响.     

锂离子电池正极材料Li_2MnO_3稀土掺杂的第一性原理研究

掺杂是锂离子电池电极材料优化改性的一种有效的方法.稀土元素因其具有高的电子电荷、大的离子半径以及强的自极化能力,成为掺杂改性的重要选择.本文利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了稀土元素(La, Ce, Pr, Sm)掺杂的锂离子电池正极材料Li_2MnO_3的性质.通过稀土元素的掺杂, Li_2MnO_3材料的晶格常数和晶胞体积都有不同程度的增大.由于稀土原子的价态不同,导致掺杂后的Li_2MnO_3的电子结构性质不同. La掺杂的Li_2MnO_3表现出金属性,而Ce, Pr, Sm掺杂的结构为半导体性质,但带隙与未掺杂情况下相比有所减小. Li_2MnO_3中的Li离子迁移在La和Ce掺杂后展示出复杂的能垒变化.在远离稀土离子处,Li离子迁移势垒比未掺杂时减小,但在靠近稀土离子处则表现为势垒变化的多样性.当Li离子在离稀土离子最近的位置处进行迁移,势垒有明显的增加,这一结果与稀土离子周围的局域结构变化大密切相关.     

Pb掺杂对InI最小光学带隙和电导率影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,建立了纯In I超胞模型以及两种不同Pb掺杂量的In1-xPbxI(x=0.125,0.25)超胞模型,结构优化后,计算了掺杂前后体系的能带结构、态密度和吸收光谱。几何结构的计算结果表明,随着Pb掺杂量的增加,掺杂体系晶格常数改变,体积减小,能量降低,结构更加稳定。电子结构的计算结果表明,掺杂后费米能级进入导带,掺杂体系均为高掺杂。同时,掺杂体系的最小光学带隙增大,电子有效质量减小,电导率增大。光学性质的计算结果表明,掺杂后吸收光谱蓝移,证明了Pb掺杂使In I最小光学带隙增大。所得结果为掺杂改善In I材料光电特性的实验研究提供理论指导。     

锂离子电池正极材料Li_2FeO_2的电子结构性质和Li扩散

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了锂离子电池正极材料Immm-Li_2FeO_2的声子谱、电子结构性质和Li扩散系数并与Li_2MO_2 (M=Co, Ni, Cu)材料进行对比.计算结果显示, Immm-Li_2FeO_2材料具有结构稳定性,计算结果呈铁磁性,能带结构具有半金属的特征. Fe离子外层d电子呈低自旋态,自旋极化P=8.01%.利用分波态密度分析了自旋向上和自旋向下的电子能带结构.此外,采用微动弹性带方法计算了各个方向上Li扩散的势垒,结果表明Li离子比较容易先进行c轴方向的迁移,迁移势垒为0.1 eV;然后再沿ab轴方向迁移,迁移势垒为0.21 eV,而沿a轴方向迁移的势垒为0.39 eV.这些势垒值比其他的Li_2MO_2 (M=Co, Ni, Cu)材料中的势垒值小,也比其他Fe基Li离子电池正极材料中的势垒值更低,意味着Li_2FeO_2中的Li离子将有更高的扩散系数,这对Li_2FeO_2作为正极材料具有重要的意义.     

稀土元素La掺杂β-FeSi2的几何结构和电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对稀土元素La掺杂β-FeSi2的几何结构、能带结构、态密度进行了理论计算.几何结构的计算表明:La掺杂后使β-FeSi2的晶格常数a、b、c都变大了,使得晶胞体积也相应增大;La掺杂β-FeSi2的置换位置为FeⅡ位.电子结构的计算表明:能带结构为直接带隙,禁带宽度变窄仅为0.013eV;费米面进入价带,能带数目增多,态密度峰值减小,费米面附近载流子浓度显著增大.这些结果为β-FeSi2光电材料掺杂改性的实验和理论研究提供理论依据.     

A GGA+U study of lithium diffusion in vanadium doped LiFePO4

Recent experiments showed beneficial influence of vanadium doping on the electrochemical performance of lithium iron phosphate (LiFePO₄) cathode materials. First-principles calculations have been performed to investigate the stability, electronic structure and lithium diffusivity of vanadium-doped LiFePO₄ and to elucidate the origin of such improvement. It is found that vanadium prefers occupying Fe sites and leads to additional density of states within the intrinsic bandgap. By the nudged elastic band method, we show that the barrier of Li ions diffusion along the one dimensional channel in both LiFePO₄ and FePO₄ phases can be effectively reduced by vanadium doping. Structural analysis shows the lower diffusion barrier ties closely to a volumetric expansion of the diffusion channel.     

第一性原理计算：锰酸锂掺杂Fe和Co的性质研究

文章基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了LiMn2O4电池材料在掺杂Fe和Co离子时的电子结构和电化学性能。发现Fe\Co取代Mn3+在热力学上是会更加稳定,提升电化学性能。掺杂Fe后,LiMn2O4电池材料晶格参数减小(约0.3%);掺杂Co后,LiMn2O4电池材料晶格参数减小(约0.5%)。这两种掺杂方式让与之相邻的Mn3+被氧化成Mn4+,从而降低了Jahn-Teller畸变情况产生可能性。对于掺Fe尖晶石型锰酸锂(Li8Mn15FeO32),Mn环境中的Li离子会更容易被提取,第一次放电电压从原来的3.7V增加至4.623V;对于掺Co尖晶石型锰酸锂(Li8Mn15CoO32),第一次放电电压从原来的3.7V增加至4.101V。研究为锂电池电容量研究提供理论数据的参考。     

新型联苯胺基窄带隙共轭聚合物的光学及电化学性能研究

随着化石燃料的日益枯竭,人类社会对能源的需求在不断增长。为了平衡能量应用需求并提升能量使用效率,开发高效能量转换材料与电化学储能材料成为当前研究的重要课题。导电聚合物基电极材料面临着相应储能器件能量密度、功率密度、循环性能不高的挑战,需进行结构改性提高电导率、改善界面性质。鉴于共轭高分子的电子结构、光学及电化学性质由共轭链骨架结构决定,对导电共轭聚合物进行结构修饰以提升其电荷传输性能和载流子迁移率,进而设计合成新型高迁移率导电聚合物基共轭聚合物是提高相应器件特性的关键所在。已有研究大多借助复杂的结构设计来实现提升迁移率,设计合成了结构简单,有助提升电荷迁移的新型窄带隙聚联苯胺基共轭聚合物聚物。通过光谱学及电化学方法对材料结构与性能进行了表征分析。采用核磁共振氢谱、红外光谱,X射线粉末衍射对单体及聚合物进行了结构表征,通过紫外光谱、紫外可见漫反射、循环伏安、计时电位、交流阻抗对其进行了光学及电化学性能测试。结果表明,成功制得具有预期结构的共轭聚合物,所得聚合物结晶性较佳,光学带隙E_g^opt为1.85eV,HOMO及LUMO能级分别为-5.44和...     

双轴应变调控二维单层C2X2TM（X = O, H; TM=Fe, Cr） 的多铁性研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算,系统地研究了过渡金属原子插层的单层氧化/氢化石墨烯的磁学性质和铁电性质.在考虑了电子在位库仑作用和自旋轨道耦合作用下,得到了过渡金属Fe、Cr插层形成的C₂X₂TM二维单层膜的稳定结构以及基态磁性结构,研究了不同应变作用下C₂X₂TM的磁性、能带、铁电极化以及电子结构的变化.结果发现,对于任何应变下的C₂X₂TM其基态磁性都为手性逆时针反铁磁结构.在无应变时体系存在一个较大的离子翻转势垒,通过外加双轴应变,可有效调控体系的势垒高度和能隙,发现25%应变下C₂O₂Cr和30%应变时C₂O₂Fe单层薄膜具有与GeS等二维铁电材料相近的铁电极化和翻转势垒,这些研究结果表明C₂O₂Fe(Cr)单层薄膜是一种新型二维多铁性材料.     

Electronic structure and magnetism of Fe-doped SiC nanotubes

The electronic structure and magnetic properties of Fe-doped SiC nanotubes are investigated by using the first-principles method based on density functional theory(DFT) in the local spin density approximation(LSDA).The calculation results indicate that the SiC nanotube of Fe substitution for C exhibits antiferromagnetism while ferromagnetism features prominently when Fe substitutes Si.This is a kind of half-metal magnetic material.The formation energy calculation results show that the formation energy of ferromagnetic structure is 3.2 eV lower than that of antiferromagnetic structure.Fe atoms are more likely to replace Si atoms.Spin-orbit coupling induces electron spin polarization in the ground state.Also,the doping Fe atoms make relaxation towards the outside of the tube to some extent and larger geometric distortion occurs when Fe substitutes C,but the whole geometric structure of SiC nanotubes is not damaged due to the doping.It is revealed in the calculation of energy band structure and density of states that more dispersed distribution of energy levels is produced near the Fermi level.For Fe substitution for Si,obviously there are spin-split and intense p-d hybrid effects by Si 3p electron spins and Fe 3d electron spins localized at the exchanging interactions between magnetic transitional metal(TM) impurities.Spin electronic density results indicate that system magnetic moments are mainly generated by the unpaired 3d electrons of Fe atoms.All these results show that the transition metal doping SiC nanotube could be a potential route to fabricating the promising magnetic materials.     

稀土元素(La,Y)掺杂GaN的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对稀土元素La,Y单掺杂和La和Y共掺杂GaN的晶格常数、电子结构及光学性质进行了计算与分析.计算结果表明:掺杂改变了GaN的能带结构,未掺杂和Y掺杂形成导带底和价带顶位于G点的直接带隙半导体,而La掺杂和La和Y共掺杂形成导带底位于G点,价带顶位于Q点的间接带隙半导体.可以通过掺杂元素来调制GaN的禁带宽度和带隙类型,掺杂均提高GaN在低能区的静态介电常数、反射率、折射率,使光子的跃迁强度增大,说明稀土元素La,Y掺杂可有效调制GaN的光电性质.     

La,Ce,Nd掺杂对单层MoS_2电子结构的影响

为了研究稀土掺杂对单层MoS2电子结构的影响,文章基于密度泛函理论框架下的第一性原理,采用平面波赝势方法分别计算了本征及La,Ce,Nd掺杂单层MoS2的晶格参数、能带结构、态密度和差分电荷密度.计算发现,稀土掺杂所引起的晶格畸变与杂质原子的共价半径大小有关,La杂质附近的键长变化最大,Nd杂质附近的键长变化最小.能带结构分析表明,La掺杂可以在MoS2的禁带中引入3个能级,Ce掺杂可以形成6个新能级,Nd掺杂可以形成4个能级,并对杂质能级属性进行了初步分析.差分电荷密度分布显示,稀土掺杂可以使单层MoS2中的电子分布发生改变,尤其是f电子的存在会使差分电荷密度呈现出反差极大的物理图象.     

Vanadium Pentoxide‐Based Cathode Materials for Lithium‐Ion Batteries: Morphology Control,Carbon Hybridization,and Cation Doping

Vanadium pentoxide (V₂O₅) is a promising cathode material for high‐performance lithium‐ion batteries (LIBs) because of its high specific capacity, low cost, and abundant source. However, the practical application of V₂O₅ in commercial LIBs is still hindered by its intrinsic low ionic diffusion coefficient and moderate electrical conductivity. In the past decades, progressive accomplishments have been achieved that rely on the synthesis of nanostructured materials, carbon hybridization, and cation doping. Generally, fabrication of nanostructured electrode materials can effectively decrease the ion and electron transport distances while carbon hybridization and cation doping are able to significantly increase the electrical conductivity and diffusion coefficient of Li⁺. Implementation of these strategies addresses the problems that are related to the ionic and electronic conductivity of V₂O₅. Accordingly, the electrochemical performances of V₂O₅‐based cathodes are significantly improved in terms of discharge capacity, cycling stability, and rate capability. In this review, the recent advances in the synthesis of V₂O₅‐based cathode materials are highlighted that focus on the fabrication of nanostructured materials, carbon hybridization, and cation doping.     

Ti0.33WO3电子结构和太阳辐射屏蔽性能第一性原理研究

节能减排已成为当今社会发展的主题,对节约能源、提高太阳能的高效综合利用的新型窗用透明隔热材料的理论设计和研究尤其重要.本文采用基于密度泛函理论的计算方法,研究了六方相三氧化钨Ti掺杂前、后的晶格参数、电子能带结构、形成能和光学性质.研究结果表明,Ti掺杂后晶格体积增大,系统能量降为负值,体系具有更好的稳定性;掺杂后电子能带结构发生很大的变化,但材料仍保持n型电导率;随之,其光学性质也发生改变,掺杂前h-WO3无近红外吸收性能,掺杂后的Ti0.33WO3具有很强的近红外吸收性能.在此基础上研究了Ti掺杂h-WO3前、后的太阳辐射屏蔽性能,掺杂前无太阳辐射屏蔽性能;掺杂后的Ti0.33WO3薄膜具有可见光高透明、近红外屏蔽的性能.计算结果为Ti掺杂h-WO3在窗用透明隔热材料方面的研究提供了理论依据.