H,O,N,He原子掺杂Al原子的第一性原理研究

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波赝势方法,对Al中分别加入H,O,N和He原子后的晶体状态进行了研究.通过晶体结构和形成能分析比较了杂质原子占据不同位置的难易程度及对晶体稳定性的影响,并从态密度、电荷密度和电荷布居的角度,分析了其电子结构.结果表明:H、O和N原子占据金属Al的四面体间隙最稳定,而He原子主要占据金属Al的八面体间隙. O和N原子与Al原子具有强烈的共价作用,H原子与Al原子存在共价作用但相对较弱,而He原子与Al原子的相互作用以范德华力为主.进一步揭示了四种原子在金属Al中不同行为的电子机制.     

基于第一性原理的含空位a-Fe和H原子相互作用研究

氢致裂纹是制约超高强度钢应用的关键问题,掌握扩散氢的分布行为有助于弄清氢致裂纹的形成机理.本文采用第一性原理方法计算了H原子占据α-Fe晶格间隙和空位时的情况,得到了晶体的稳定构型及能量,并据此分析了H原子在晶格间隙和空位中的溶解倾向;从Mulliken布居、电子密度分布、态密度分布等角度分析了H原子与α-Fe晶体间隙和空位之间的相互作用.结果表明:间隙H原子倾向占据α-Fe四面体间隙位,其1s轨道电子与Fe的4s轨道电子呈微弱共轭杂化;空位是强氢陷阱, H原子倾向占据空位内壁附近的等电荷面.在真空0 K条件下单空位最多稳定溶解3个H原子,且H原子之间未表现出自发形成H2的倾向;间隙和空位中的H原子溶入改变了Fe晶格内电子分布导致原子结合力弱化,并在局部区域形成反键.基于第一性原理能量计算结果开展热力学分析,分析结果表明大多数情况下间隙H原子都是H主要的固溶形式, H平衡溶解度计算结果与实际符合良好.     

第一性原理计算研究金属Nb和间隙氢原子的相互作用

应用第一性原理计算方法, 研究了H在金属Nb体心立方晶格中的间隙占位情况, 并讨论了占位能和间隙大小的关系. 分析了H在间隙位和Nb金属晶格的相互作用, 并讨论了相互作用对电子结构的影响. 结果表明: 除了间隙大小直接影响溶解能的大小之外, H的1s电子和Nb的3d电子有比较强的成键作用, 也是导致H在Nb晶格中溶解能较低的一个重要原因. 估算了500 ℃ 下H在Nb晶格中的扩散系数大约为7.8× 10^-9 m²/s, 和实验结果基本符合.     

N,Sb和单分子层数对GaAs/GaInNAsSb超晶格性能的影响

用Keating的价力场 (valenceforcefield)模型和蒙特卡罗方法计算了GaAs GaInNAsSb超晶格中键的分布、原子的精确位置以及应变 .用折叠谱法 (foldedspectrummethod)结合Williamson经验赝势法计算了GaAs GaInNAsSb超晶格应变条件下的电子结构 .讨论了N和Sb原子以及超晶格单分子层数对电子结构的影响 .发现导带底电子态在N原子周围的局域化减小了光跃迁矩阵元 ,从而影响了该超晶格的发光性能 .计算并讨论了超晶格的电子和空穴的有效质量 .     

Fe中刃型位错上扭折及掺杂体系的电子结构

利用离散变分方法和DMol方法,研究了体心立方Fe中1/2［111］（110）刃型位错上扭折及掺杂（N,O）体系的电子结构.能量（杂质偏聚能及格位能）计算结果表明,杂质元素N,O进入扭折芯区的偏聚趋势,这与位错扭折引起的晶格畸变有关.同时,在杂质元素周围有一些电荷聚集,导致扭折上电荷的不均匀分布,杂质原子得到电子,其周围Fe原子失去电子.由于N原子的2p轨道与近邻Fe原子的3d4s4p轨道之间杂化,使N原子与近邻Fe原子间有较强的相互作用,不利于扭折的迁移,使位错运动受阻,有利于材料强度的提高;而O与最近邻Fe原子之间的相互作用较弱.杂质-扭折复合体的局域效应明显影响体系的电子结构、能量及性能. 关键词： 电子结构 刃型位错 扭折 杂质元素     

过渡金属氮化物中单原子固溶和力学性能的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理,计算Si原子在Ti族和V族氮化物中以及B、C和Ge原子在TiN晶体中固溶的稳定结构,讨论置换型和间隙型固溶的低能量稳定结构与晶体间距的关系,研究金属氮化物和固溶原子固溶结构的力学性能.结果表明:Si原子在TiN、ZrN、HfN和TaN晶体中固溶以及Ge原子在TiN晶体中固溶情况为,单原子不进入对应过渡金属氮化物晶体中形成间隙固溶或置换固溶,随着晶体间距离变化单原子可以在晶体之间形成间隙固溶或置换固溶;Si原子在NbN以及B原子在TiN晶体中可以实现间隙固溶,而不能形成置换固溶;Si原子在VN和C原子在TiN晶体中固溶结构形式均为置换固溶.单原子固溶形成低能量置换型固溶体和间隙型固溶体的弹性常数、体模量和剪切模量均低于原过渡金属氮化物的对应值.     

钛原子位置对立方BaTiO3电子结构的影响

本文基于密度泛函理论(DFT)的第一原理方法,计算了Ti原子位置对BaTiO3电子结构的影响.Ti的位置变化导致晶格畸变,使电子结构发生变化;从能带结构、能态密度(DOS)、电子密度、Mulliken布居等计算结果分析表明,导带和价带主要由Ti的3d电子和O的2p电子,Ti原子位置的变化,使Ti的3d电子能量分布上移,而O的2p电子能量下移;Ti位置变化,Ti的3d电子与的sp电子形成的杂化轨道更趋向离子化,以致于使OI出现了正电荷,表明发生了的2p电子向Ti的转移;O原子电子的转移使得Ti原子在导带的3d电子能量降低,与O原子在价带的2p电子能量重叠,禁带消失;随着畸变程度提高,转移逐渐增强,使禁带宽度逐渐减小,直至完全消失.     

金属Fe与间隙H原子相互作用的密度泛函研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 研究了不同摩尔比下H在α-Fe和γ-Fe晶格中的间隙占位情况, 计算了稳态晶体的总能量、结合能、溶解热、电子态密度、电荷差分密度和电荷布居, 分析了间隙H原子和Fe晶格之间的相互作用, 讨论了H溶解对α-Fe和γ -Fe晶体电子结构的影响. 结果表明: H溶解引起α-Fe和γ-Fe晶体点阵晶格畸变, 体积膨胀率随着溶氢量的增加而增加. 从能量角度分析发现, H优先占据α-Fe的四面体间隙位, 而在γ -Fe中优先 占据八面体间隙位. 态密度、电荷差分密度以及电荷布居分析发现, 间隙H原子与Fe晶格的相互作用仅由H的1s轨道电子和Fe的4s轨道电子所贡献, 二者作用力相对较弱, 这是造成H在Fe晶格中固溶度较低的主要原因之一. 关键词： 金属Fe 间隙H原子 第一性原理 溶解热     

He原子掺杂铝材料的第一性原理研究

采用基于第一性原理的平面波超软赝势方法,结合广义梯度近似(GGA),计算了铝及铝晶胞间隙位置掺入He原子后体系的几何结构、电子结构、总体能量和电荷布居值.计算结果表明:随着氦在金属铝中逐渐形成,铝晶胞体系会发生晶格畸变,但总的趋势是He在铝体系的八面体位置的晶格畸变小于其在四面体位置的晶格畸变.He在铝晶胞八面体和四面体间隙的杂质形成能分别为1.3367 eV和2.4411 eV.由此可知,He在铝晶胞中最稳定位置是八面体间隙位置.同时,文中还从原子尺度层面分析了He原子在铝晶胞中的占位及其键合性质,讨论 关键词： 铝材料 第一性原理 形成能     

Cu,O共掺杂AlN晶体电子结构与光学性质研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法对纯Al N,Cu单掺杂以及Cu与O共掺杂Al N超胞进行了几何结构优化,计算了掺杂前后体系的晶格常数、能带结构、态密度与光学性质.结果表明:掺杂后晶格体积增大,系统能量下降;Cu掺入后Cu 3d电子与N 2p电子间有强烈的轨道杂化效应,Cu与O共掺后Cu和O之间的吸引作用克服了Cu原子之间的排斥作用,能够明显提高掺杂浓度和体系的稳定性.光学性质分析中,介电函数计算结果表明Cu与O共掺杂能改善Al N电子在低能区的光学跃迁特性,增强电子在可见光区的光学跃迁;复折射率计算结果显示Cu与O掺入后由于电磁波穿过不同的介质,导致折射率发生变化,体系对低频电磁波吸收增加.     

SiO2-羟基表面上金属原子的第一性原理研究

采用第一性原理方法研究了SiO₂-羟基表面上几种金属原子的吸附性质，发现In和Ga在SiO₂-羟基表面上的结合很弱，而Fe，Co， Ni在该表面上与Si，O形成强的化学键.等势能面和扩散势垒计算表明In (Ga)的扩散激活能只有0.1—0.3 eV，表明这两种原子容易在表面上扩散.这些结果可以定性地解释纳米合成中的一些实验现象. 关键词： 第一性原理 表面扩散 结合能 金属原子     

Mg~(2+)掺杂锰酸锂的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法对Mg~(2+)掺杂锰酸锂的晶格常数与能带结构、态密度、键布居进行计算和分析,计算结果表明:掺杂Mg~(2+)后将会促使Mn、 O原子的电荷重新分布且其相互作用加强,能带带隙减小,费米能级附近的带数增加,费米能由-1.29 eV增加到-1.02 eV, Mn、 O、 Mg在总态密度中贡献比较大,锂离子贡献比较小且峰型尖锐局域化严重,提高了Li~+的扩散效率, Mn—O键变短,共价性增强,形成的共价键较稳定,其相互作用形成的骨架较稳定不易坍塌.从而提高了材料的循环充放电性能和电池使用寿命.     

过渡族金属掺杂Al(111)表面对氢分子催化分解的影响

为了探求过渡金属催化剂对催化合成储氢材料NaAlH₄效果的影响, 本文采用第一性原理方法研究了多种金属原子取代Al (111)表面铝原子形成的合金表面对氢的催化分解的影响. 计算结果表明, Sc, V, Fe, Ti原子掺杂的表面对氢分子分解具有催化作用. H₂在对应的掺杂表面催化分解所需要的活化能分别为0.54 eV, 0.29 eV, 0.51 eV, 0.12 eV. H原子在Sc, V, Ti掺杂表面扩散需要的活化能分别为0.51 eV, 0.66 eV, 0.57 eV. 同时, 过渡金属掺杂在Al表面时倾向于分散分布, 增加掺杂表面的掺杂原子个数, 掺杂表面的催化效果体现为单个掺杂过渡金属原子的催化效果. 本研究将为金属掺杂Al (111)表面催化加氢合成NaAlH₄提供理论参考.     

Grain boundary self-diffusion of tracer <Superscript>18</Superscript>O atoms in nanocrystalline oxide LaMnO<Subscript>3 + δ</Subscript>

Diffusion coefficients of tracer ¹⁸O atoms at boundaries of nanograins of LaMnO_{3 + δ} oxide have been measured in the temperature range of 400–500°C. The samples of the nanocrystalline oxide are prepared with the use of the shockwave loading method. The concentration profile of the tracer atoms after diffusion annealing is measured with the use of the nuclear microanalysis method. The activation energies of the grain boundary diffusion amounts to about 2 eV and the boundary width is ～0.05 nm. The measured coefficients of the grain boundary diffusion at 500°C exceed the corresponding coefficients of the volume diffusion by seven orders of magnitude.     

苝四甲酸二酐的真空升华提纯及其光谱测试与分析

纯度为9.75%的有机半导体材料苝四甲酸二酐(PTCDA),在其升华点进行了真空升华提纯,其纯度可达99.9%。利用质谱、红外光谱及X光电子能谱对这种高纯材料进行了测试并详细分析了其分子结构、化学键的形成、原子在晶格平衡位置的振动模式、电子的组态和原子的结合能的变化。由红外光谱分析得出,苝四甲酸二酐的分子结构是中央5个C构所组成的苝核基团及位于苝核两端的两个酸酐组成,它们主要以共价键结合。晶格上的C原子在其平衡位置主要以伸缩振动为主。其分子中有大量可以自由移动的π电子;分子间离域大π键的交叠决定了苝四甲酸二酐的导电性能。由XPS谱分析得出,高纯度的苝四甲酸二酐中有结合能不同的两种C原子,结合能分别为：285.3和288.7 eV。它们对应于苝环及酸酐上的C原子。另外,有两种类型的O原子,即CO和C—O—C,其结合能分别为531.3和533.1 eV。     

GaN中与C和O有关的杂质能级第一性原理计算

用局域密度泛函线性丸盒轨道大型超原胞方法(32个原子),对纯纤锌矿结构的GaN用调节计算参数(如原子球与“空球”的占空比)在自洽条件下使Eg的计算值(323eV)接近实验值(35eV).然后以原子替代方式自洽计算杂质能级在Eg中的相对位置.模拟计算了六角结构GaN中自然缺陷以及与C和O有关的杂质能级位置,包括其复合物.计算结果表明,单个缺陷如镓空位VGa、氮空位VN、氧代替氮ON、炭代替氮CN、炭代替镓CGa等与已有的计算结果基本一致.计算结果表明杂质复合物会导致单个杂质能级位置的相对变化.计算了CNON,CGaCN,CNOV和CGaVGa,其中CNON分别具有深受主与浅施主的特征,是导致GaN黄光的一种可能的结构. 关键词： GaN 杂质能级 电子结构     

金红石TiO_2中本征缺陷扩散性质的第一性原理计算

基于密度泛函理论的爬坡弹性带方法,对金红石相二氧化钛晶体中钛间隙、钛空位、氧间隙、氧空位4种本征缺陷的扩散特征进行了研究.对比4种本征缺陷在晶格内部沿不同扩散路径的过渡态势垒后发现,缺陷扩散过程呈现出明显的各向异性.其中,钛间隙和氧间隙沿[001]方向具有最小的扩散势垒路径,激活能分别为0.505 eV和0.859 eV;氧空位和钛空位的势垒最小的扩散路径分别沿[110]方向和[111]方向,激活能分别为0.735 eV和2.375 eV.     

The calculation of the chemical diffusion coefficient for pure and mixed oxides with a simple defect structure. II. Numerical applications

The expressions of the chemical diffusion coefficients for pure oxides and for ternary solid solutions of the (A,B)O type reported in part I of this paper are used for the calculation of these parameters for pure NiO and CoO and for their solid solutions at 1000°C. The results show that for both the pure oxides and their solutions the chemical diffusion coefficients measured from weight or from electrical conductivity changes differ accordig to models of the defect structure considering the simultaneous presence of metal vacancies with a different electric charge. However, the chemical diffusion coefficients for the solid solutions are more complex than those of a pure compound since they depend on the oxygen activity but also on the composition of the mixed oxide.Moreover it is shown that the chemical diffusion coefficients in these systems are, in general, functions also of ratio between the gradients of oxygen activity and oxide composition, a condition which leads to an anomalous type of behavior in one of the two fields of values of this ratio, either positive or negative, depending on the choice of the oxide BO.     

Strain-induced interaction of interstitials in IVA group hcp metals

Strain-induced (elastic) interactions of oxygen, nitrogen and carbon atoms in IVA group metals, α-Ti, Zr, and -Hf, are calculated in the framework of the microscopic Krivoglaz-Kanzaki-Khachaturyan theory. The experimental elastic constants, lattice spacing of the host metal, and concentration expansion coefficients are used as the input numerical parameters. The resulting interactions are stronger in α-Ti than in α-Zr and α-Hf. A comparative analysis of interactions in the hcp IVA group metals with those in bcc and fcc solid solutions reveals the crystal structure effect. In general, the strain-induced interactions of O, N, and C in hcp IVA group metals are weaker than in bcc solid solutions and are stronger than in fcc solid solutions.