光学气敏材料金红石相二氧化钛(110)面吸附CO分子的微观特性机理研究

利用光学气敏材料吸附气体,引起材料光学性质的变化来测量气体成分,是当前气敏传感研究领域的一个热点方向.本文针对光学气敏材料金红石相TiO2(110)表面吸附CO分子的微观特性进行研究,采用基于密度泛函理论(DFT)体系下的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了表面的吸附能、电子态密度、光学性质和电荷密度的变化.结果表明:终止于二配位O原子的TiO2(110)面为最稳定表面,该表面吸附CO分子以C端吸附方式最为稳定,且氧空位浓度越高,越有助于对CO分子的吸附,吸附过程为放热.在氧空位浓度为33%时,吸附能达到1.319 eV,吸附后结构趋于更加稳定.表面吸附CO分子后,其实质是表面的氧空位氧化了CO分子,CO分子的电荷向材料表面转移.含有氧空位的表面吸附CO分子后都改善了其在可见光范围内的光学性质,但是氧空位浓度越高,改善其光吸收和反射能力越明显,光学气敏传感特性表现越显著.     

MgO、SnO_2、TiO_2表面氧空位性质对气体光学传感特性的影响

光学气敏传感器是当今研究领域的一个热门方向.文章采用密度泛函理论(DFT)体系下广义梯度近似(GGA)第一性原理平面波超软赝势方法,分析和计算了光学气敏材料岩盐型MgO、金红石型SnO_2和锐钛矿型TiO_2表面氧空位的特性.以CO作为吸附分子进行微观机理研究,研究不同氧化物表面吸附气体分子的机理.对氧化物表面的几何结构、吸附能、态密度、差分电荷密度、电荷布居、电荷转移、光学性质等进行分析.研究发现:含有氧空位缺陷的MgO(001)、SnO_2(110)和TiO_2(101)能稳定的吸附CO分子,吸附后造成了材料光学性质的变化,可作为光学气敏传感材料.分析发现:氧空位氧化能力的大小是光学性质改变的核心原因.表面吸附CO分子后,发现SnO_2(110)表面对分子的吸附能最大,分子与表面的吸附距离最短.通过差分电荷密度和电荷布居数发现,表面与CO分子间存在电荷转移,其转移电子数目大小为:SnO_2(110)TiO_2(101)MgO(001),由此得出不同氧化物表面氧化性的大小为:SnO_2(110)TiO_2(101)MgO(001);通过对比吸收谱和反射谱发现:吸附气体分子后SnO_2(110)表面的光学性质变化最为明显,是一种较好的光学气敏传感材料.     

Y掺杂空位石墨烯对NO及CO气体表面吸附的第一性原理研究

摘　要：基于第一性原理的计算方法,建立了本征石墨烯、空位石墨烯及钇( Y)掺杂空位石墨烯模型,并计算了CO、NO在三类石墨烯表面的吸附过程. 从表面能、吸附结构、吸附能和态密度四个方面进行分析讨论,研究掺杂Y对CO、NO气体吸附性能的影响. 结果表明：CO、NO与本征石墨烯之间的吸附为弱的物理吸附,掺杂Y后增强了材料表面对CO、NO的吸附效果,最大吸附能分别为7.414eV、6.702eV,属于化学吸附;掺杂Y使空位石墨烯费米能级附近有了更多的活跃电子,其吸附NO后体系由半金属转变为金属特性,该特性能为开发更加优良的石墨烯气敏材料提供理论支持.     

空位缺陷对单层硅烯薄膜力学性能的影响

采用基于分子动力学理论的Forcite模拟软件包对含不同浓度的单、双空位缺陷硅烯薄膜的超晶胞体系进行优化,并对其力学性能进行了计算和分析.结果表明:随着空位缺陷浓度的增加,硅烯薄膜的拉梅常数、泊松比、体弹模量和剪切模量呈线性递减趋势,而由于空位缺陷附近键长的缩减导致硅烯薄膜"硬化"与空位缺陷浓度的增加导致硅烯晶格中硅原子密度降低,两种体制的竞争使得硅烯杨氏模量表现出先升高在降低的趋势.     

表面缺陷对一氧化碳和甲基基团在金红石TiO2(110)表面吸附的影响

本文利用程序升温脱附技术研究了氧空位浓度对甲基基团和CO在R-TiO₂(110)表面吸附的影响. 结果表明,随着氧空位浓度的变化,吸附在桥氧位的甲基基团和吸附在五配位Ti⁴⁺位点上的CO分子的脱附温度呈现了不同的趋势,揭示了表面缺陷可能对R-TiO₂(110)不同位点上的物质吸附具有重要影响.     

改性石墨烯SO_2气敏性质的第一性原理研究

为了寻求高灵敏度的石墨烯基的SO_2气体传感器,本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究纯净石墨烯(PG)、单空位缺陷(SVG)、SW缺陷(SWG)、Mn掺杂修饰的石墨烯(Mn-PG)及掺杂和缺陷共修饰的石墨烯(Mn-SVG和Mn-SWG)对SO_2分子的吸附特性.研究表明:PG和SWG对SO_2分子的吸附作用较弱,对SO_2分子不具有敏感性;SO_2分子在SVG表面的吸附能够有效调控其电子结构的变化,使其由金属性转变为半金属性,但其吸附能较低(0.636 eV);结合了Mn掺杂和SV缺陷的Mn-SVG基底尽管增大了与SO_2分子相互作用,但未能引起该体系电子结构和磁性的明显改变;相比之下,SO_2分子在Mn-PG和Mn-SWG基底上具有较强的吸附稳定性;同时,该分子吸附可诱发Mn-PG和Mn-SWG体系磁矩的急剧降低和电导率的显著变化,故可作为探测和清除环境中SO_2分子理想材料.该研究为设计新型石墨烯气体传感器提供理论参考.     

表面缺陷对一氧化碳和甲基基团在金红石TiO_2(110)表面吸附的影响（英文）

本文利用程序升温脱附技术研究了氧空位浓度对甲基基团和CO在R-TiO_2(110)表面吸附的影响.结果表明,随着氧空位浓度的变化,吸附在桥氧位的甲基基团和吸附在五配位Ti~(4+)位点上的CO分子的脱附温度呈现了不同的趋势,揭示了表面缺陷可能对RTiO_2(110)不同位点上的物质吸附具有重要影响.     

金属原子修饰石墨烯体系催化性能的理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了单个CO 和O2气体分子在金属原子修饰石墨烯表面的吸附和反应过程. 结果表明: 空位缺陷结构的石墨烯能够提高金属原子的稳定性, 金属原子掺杂的石墨烯体系能够调控气体分子的吸附特性. 通入混合的CO和O2作为反应气体, 石墨烯表面容易被吸附性更强的O2分子占据, 进而防止催化剂的CO 中毒. 此外, 对比分析两种催化机理(Langmuir-Hinshelwood和Eley-Rideal)对CO氧化反应的影响. 与其它金属原子相比, Al原子掺杂的石墨烯体系具有极低的反应势垒(< 0.4 eV), 更有助于CO氧化反应的迅速进行.     

电场作用下P掺杂硅烯选择性吸附CH_4的第一性原理计算

在煤层气中选择性吸附和捕捉甲烷分子,对提高煤矿安全具有十分重要的意义.本文采用第一性原理计算的方法,研究了外加电场作用下P掺杂硅烯对甲烷分子的选择性吸附性能.结果表明:正电场作用下,P掺杂硅烯与甲烷分子之间产生较强的化学吸附,能够快速捕获甲烷分子.当关闭外加电场时,P掺杂硅烯与甲烷分子之间则为微弱的物理吸附,甲烷分子很容易实现脱附.同时还发现,外加电场作用下,P掺杂硅烯与氮气、氧气及水之间的吸附均属于物理吸附,表明P掺杂硅烯可以在这些混合气体中实现甲烷气体的选择性吸附. P掺杂硅烯有望成为选择性好的甲烷传感、捕获新材料.     

超电容储能电极材料的密度泛函理论研究

由于量子限域效应和态密度的限制,石墨烯、硅烯等二维材料的量子电容在费米能级附近趋近于零.基于密度泛函理论的第一性原理研究发现,掺杂和吸附使石墨烯等二维电极材料的电子结构得以有效的调制,它促进狄拉克点附近局域电子态的形成和/或费米能级的移动,从而使量子电容得到了提高.比较Ti (Au, Ag,Cu, Al)和3-B (N, P, S)掺杂单空位石墨烯(硅烯,锗烯)的量子电容,发现3-N掺杂单空位石墨烯和Ti原子吸附单空位硅烯、锗烯的量子电容明显得到了提升,量子电容分别为118.42μF/cm2, 79.84μF/cm2和76.54μF/cm2.另外还研究了3-N掺杂三种烯类的浓度效应,随掺杂浓度的增加,量子电容呈增加趋势.通过研究各掺杂体系的热力学稳定性问题,发现Ti是最稳定的吸附原子,因为Ti和C原子之间可以形成强键.在B, N, P, S掺杂单空位硅烯和锗烯中, S是最稳定的掺杂原子,而对于石墨烯, N掺杂的形成能最低,量子电容最高.上述二维电极材料的理论模拟计算为超级电容器和场效应晶体管中的实际应用做出了探索性的工作.     

掺杂对硅烯的性能影响

硅烯是单原子层的硅薄膜,具有类石墨烯结构.因此拥有与石墨烯相似的各种奇特的热学、化学、光学和电学性质.近年来,硅烯引起了研究者的广泛关注,作为一种新型的二维狄拉克电子材料,硅烯在理论计算和实验上都取得了不少新的进展.本文主要在前人对硅烯实施边缘钝化、掺杂、外加电场、加应力或者表面官能团修饰和吸附等研究的情况下,结合当前硅烯的研究发展趋势,重点研究了不同掺杂对硅烯性质的影响,并探讨硅烯在未来硅基电子器件的应用前景.     

Growth mechanism and modification of electronic and magnetic properties of silicene

Silicene, a monolayer of silicon atoms arranged in a honeycomb lattice, has been undergoing rapid development in recent years due to its superior electronic properties and its compatibility with mature silicon-based semiconductor technology. The successful synthesis of silicene on several substrates provides a solid foundation for the use of silicene in future microelectronic devices. In this review, we discuss the growth mechanism of silicene on an Ag(111) surface, which is crucial for achieving high quality silicene. Several critical issues related to the electronic properties of silicene are also summarized, including the point defect effect, substrate effect, intercalation of alkali metal, and alloying with transition metals.     

单层硅烯表面的CoPc分子吸附研究

由于低维材料表面上的单原子和分子具有丰富的物理化学性质,现已经成为量子器件及催化科学等领域的研究热点.单层硅烯在不同的衬底制备温度下,表现出丰富的超结构,这些超结构为实现有序的单原子或分子吸附提供了可靠的模板.利用原位硅烯薄膜制备,分子沉积,超高真空扫描隧道显微镜以及扫描隧道谱,本文研究了Ag(111)衬底上3种硅烯超结构((4×4),(■×■),(2■×2■))的电子态结构,表面功函数随超结构的变化,以及CoPc分子在这3种超结构硅烯上的吸附行为.研究结果表明,这3种超结构的硅烯具有类似的电子能带结构,且存在电子从Ag(111)衬底转移到硅烯上的可能性,从而导致硅烯的表面功函数增大,表面功函数在原子级尺度上的变化对分子的选择性吸附起着重要作用.此外,还观察到分子与硅烯的相互作用导致CoPc分子的电子结构发生对称性破缺.     

硅烯的化学功能化

硅烯是一种零能隙的狄拉克费米子材料,对其能带结构的有效调控进而打开带隙是硅烯进一步器件化的基础.而化学功能化是调控二维材料的结构和电子性质的一种有效方法.本文简要介绍了近几年在硅烯的化学功能化方面取得的进展,主要包括硅烯的氢化、氧化、氯化以及其他几种可能的化学修饰方法.     

单原子Al修饰空位缺陷V2C（MXene）对H2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H₂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H₂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H₂气体分...     

Electronic properties of silicene in BN/silicene van der Waals heterostructures

Silicene is a promising 2D Dirac material as a building block for van der Waals heterostructures(vd WHs). Here we investigate the electronic properties of hexagonal boron nitride/silicene(BN/Si) vd WHs using first-principles calculations.We calculate the energy band structures of BN/Si/BN heterostructures with different rotation angles and find that the electronic properties of silicene are retained and protected robustly by the BN layers. In BN/Si/BN/Si/BN heterostructure, we find that the band structure near the Fermi energy is sensitive to the stacking configurations of the silicene layers due to interlayer coupling. The coupling is reduced by increasing the number of BN layers between the silicene layers and becomes negligible in BN/Si/(BN)_3/Si/BN. In(BN)_n/Si superlattices, the band structure undergoes a conversion from Dirac lines to Dirac points by increasing the number of BN layers between the silicene layers. Calculations of silicene sandwiched by other 2D materials reveal that silicene sandwiched by low-carbon-doped boron nitride or HfO_2 is semiconducting.     

金属原子修饰石墨烯体系催化性能的理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了单个CO和O2气体分子在金属原子修饰石墨烯表面的吸附和反应过程.结果表明:空位缺陷结构的石墨烯能够提高金属原子的稳定性,金属原子掺杂的石墨烯体系能够调控气体分子的吸附特性.通入混合的CO和O2作为反应气体,石墨烯表面容易被吸附性更强的O2分子占据,进而防止催化剂的CO中毒.此外,对比分析两种催化机理(Langmuir-Hinshelwood和Eley-Rideal)对CO氧化反应的影响.与其它金属原子相比,Al原子掺杂的石墨烯体系具有极低的反应势垒(0.4 e V),更有助于CO氧化反应的迅速进行.