La65X35(X=Ni,Al)非晶合金原子结构的第一性原理研究

运用基于密度泛函理论的第一性原理分子动力学和静态电子结构计算,研究了La₆₅X₃₅（X=Ni,Al）非晶合金体系原子结构随温度演化的规律及其相关电子结构特性.使用径向分布函数、Voronoi团簇以及键对分析等给出了从高温液体快速冷却到玻璃态过程中原子结构的演化规律.研究发现,该类合金体系的原子排布符合局域密堆模型,两体系中占比最大的特征多面体类型由溶质与溶剂原子半径比调控;两体系中高五次对称性局域结构随温度的下降而增加验证了其在抑制晶化方面的重要作用;利用投影态密度分析两体系电子结构之间的差异,指出La-5d与Ni-3d电子间强烈的杂化是La–Ni 间键长缩短的电子结构起源,为理解成分相关的结构和物性提供了重要线索.     

单层Cu2X的热电性质

具有低晶格热导率和高热电优值的二维(2D)材料可用于热电器件的制备.本文通过第一性原理和玻尔兹曼输运理论,系统地预测了单层Cu₂X (X=S, Se)的热电性质.研究发现单层Cu₂Se较Cu₂S在室温下具有更低的晶格热导率(1.93 W/(m·K)和3.25 W/(m·K)),这源于其更低的德拜温度和更强的非谐性.单层Cu₂X(X=S, Se)价带顶处的能带简并效应显著增大了其载流子有效质量,导致p型掺杂下具有高的塞贝克系数和低的电导率.在最优掺杂浓度下,单层Cu₂S (Cu₂Se) n型的功率因数16.5 mW/(m·K²)(25.9 mW/(m·K²))远高于其p型的功率因数1.1 mW/(m·K²)(6.6 mW/(m·K²)),且随着温度的提升这一优势将更加明显.温度为700 K时,单层Cu₂S和Cu₂Se在n型最优掺...     

缺陷黄铜矿结构Xga2S4 (X=Zn,Cd, Hg)晶体电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理超软赝势方法对缺陷黄铜矿结构XGa₂S₄ (X=Zn, Cd, Hg)晶体的晶格结构、电学以及光学性质进行了对比研究. 分析比较了它们的晶格常数、键长、能带结构、态密度、介电函数、折射率和反射系数等性质, 并总结其变化趋势. 结果表明: 这三种材料的光学性质在中间能量区域(4 eV–10 eV)表现出较强的各向异性, 而在低能区域(<4 eV)和高能区域(>10 eV)各向异性较弱. ZnGa₂S₄和HgGa₂S₄两种材料的折射率曲线在等离子体频率ω_p处有一明显的拐点, 反射系数在ω_p处达到最大值后急剧下降. 三种晶体的强反射峰均处于紫外区域, 因此可以用作紫外光屏蔽或紫外探测材料. 关键词： 缺陷黄铜矿结构 电子结构 光学性质 第一性原理计算     

掺杂半导体β-FeSi2电子结构及几何结构第一性原理研究

采用基于第一性原理的密度泛函理论全势线性缀加平面波法，使用广义梯度近似处理交换相关势能，首先计算了β-FeSi₂的电子结构及其各元素各亚层电子的能态密度，β-FeSi₂的电子能态密度主要由Fe的d层电子和Si的p层电子的能态密度确定；其次通过计算不同掺杂系统的总能量确定了掺杂原子在β-FeSi₂中的置换位置，在β-FeSi₂中，Co置换Fe_Ⅱ位置的Fe原子，Al置换Si_Ⅰ位置的Si原子，这种择位置换与现有的计算结果完全一致；最后计算了Fe_1-xCo_xSi₂和Fe(Si_1-xAl_x)₂的电子结构，对它们的电子结构特征进行了分析，并探讨了电子结构对其热电性能(塞贝克系数、电传输及热传输性能)的影响. 关键词： 第一性原理 电子结构 热电性能 2')" href="#">FeSi₂     

第一性原理研究O2在TiN4掺杂石墨烯上的氢化

作为一种新型高效质子交换膜燃料电池阴极材料, 金属与N共掺杂的石墨烯因其对氧还原反应具有较高的活性而引起了人们的广泛关注. 采用包含色散力校正的密度泛函理论方法系统地研究了O₂在TiN₄掺杂的Graphene上的吸附, 氢化特性. 结果表明: 1) O₂倾向于以side-on模式吸附在Ti顶位, 形成O-Ti-O三元环结构; 2) O₂在TiN₄-Graphene上更倾向于以分子形式直接氢化, 形式OOH结构, 并进一步解离为O+OH, 反应的限速步为O₂的氢化, 对应的反应势垒为0.52 eV.     

利用第一性原理方法研究CuXSe_2(X=B,Al,Ga,In,Tl)力学性质

在广义梯度近似(GGA)和局域密度近似(LDA)下,采用第一性原理方法研究CuXSe2(X=B,Al,Ga,In,Tl)晶体结构的稳定性和力学性质.分析CuXSe2(X=B,Al,Ga,In,Tl)结构的晶格常数,弹性常数,体积模量,剪切模量,杨氏模量,泊松比,对比各材料的力学性质变换规律.计算结果表明,根据力学稳定判据,在零温零压下,CuXSe2(X=B,Al,Ga,In,Tl)的晶体结构是力学稳定的.经过同主族替换,发现晶格常数越大,体弹性模量就越小.这可以解释为X离子半径逐渐增大,晶格常数逐渐增加,晶体的可压缩性也增加.另外,CuTlSe2的剪切模量最小,不容易发生剪切形变.CuBSe2的杨氏模量最大,其刚度最高.由Pugh经验关系可知CuXSe2(X=B,Al,Ga,In,Tl)均属于韧性材料.     

Ge-S/F共掺杂对Li2MSiO4(M=Mn,Fe)晶体结构和性能影响的理论研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法,结合广义梯度近似(GGA+U),系统研究了Ge-S/F共掺杂对Li₂MSiO₄ (M=Mn,Fe)晶体结构稳定性和电化学性能的影响.计算结果表明Ge-S/F共掺杂Li₂MSiO₄ (M=Mn,Fe)体系在脱锂过程中均会发生Li和M的位置交换,与Li₂MSiO₄(M=Mn,Fe)相比,掺杂体系具有更好的韧性,且锂离子在掺杂体系中更容易迁移.同时发生了位置交换的掺杂体系结构在脱锂过程中大多更为稳定,尤其是Li₂Mn_0.5Ge_0.5SiO_3.5S_0.5在整个脱锂过程中体积变化均很小,说明其具有良好的结构循环稳定性.此外,Ge-S/F共掺杂均降低了Li₂MSiO₄ (M=Mn,Fe)的理论平均脱嵌电压.结合态密度图和磁矩结果分析表明,Ge-S/F共掺杂可以提高Li     

BiXO3 (X= Cr,Mn, Fe,Ni)结构稳定性的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的广义梯度近似方法和赝势平面波法的第一性原理计算及化学势的热力学平衡原理,对BiXO₃ (X= Cr, Mn, Fe, Ni)的结构稳定性进行了仔细的研究. 结果表明,这四种多铁化合物中, BiFeO₃最稳定, BiCrO₃次之, 而BiMnO3和BiNiO3则很难在热平衡条件下稳定,因此在样品制备中要多考虑热平衡之外的手段. 关键词： 3')" href="#">BiXO₃ 结构稳定性 第一性原理     

第一性原理研究BaTiO3(001)表面的电子结构

在密度泛函理论的基础上,采用平面波赝势方法计算了立方相BaTiO₃(001)表面的电子结构.结构优化表明最表层原子都向体内弛豫,且金属原子弛豫幅度最大,同时各层层间距变化呈交错分布.对两种表面结构的总能计算发现TiO₂表面稳定性比BaO表面弱,一方面是由于TiO₂表面结构中存在O-2p表面态,使价带和导带中电子态向高能区域偏移.另一方面,TO₂表面附近Ti—O共价键存在强弱差异,有利于发生表面吸附.而在BaO表面结构中,最表层BaO的存在消除了这种差异,因而其表面稳定性较强. 关键词： 第一性原理 钛酸钡 电子结构 表面能     

MoSi2薄膜电子性质的第一性原理研究

采用第一性原理计算方法, 研究了四方MoSi₂薄膜的电子性质. 计算结果表明, 各种厚度的薄膜都是金属性的, 并且随着厚度的增加, 其态密度与能带结构都逐渐趋近于MoSi₂块体的特性. 通过对MoSi₂薄膜磁性的分析, 发现三个原子层厚的薄膜具有磁性, 其原胞净磁矩为0.33 μ_B; 而当薄膜的厚度大于三个原子层时, 薄膜不具有磁性. 此外, 进一步对单侧加氢饱和以及双侧加氢饱和结构下三原子层MoSi₂薄膜的电子性质进行了研究, 发现单侧加氢饱和的三原子层MoSi₂薄膜具有磁性, 其原胞净磁矩为0.26 μ_B, 而双侧加氢饱和三原子层MoSi₂薄膜是非磁性的. 双侧未饱和与单侧加氢饱和的三原子层MoSi₂薄膜的自旋极化率分别为30%和33%. 这些研究结果表明, 三原子层厚的MoSi₂ 超薄薄膜在悬空或者生长于基底之上时具有金属磁性, 预示着它在纳米电子学和自旋电子学器件等方面都有潜在的应用前景.     

Al掺杂对HfO2俘获层可靠性影响第一性原理研究

采用基于MS(Materials Studio)软件和密度泛函理论的第一性原理方法, 研究了HfO₂ 俘获层的电荷俘获式存储器(Charge Trapping Memory, CTM)中电荷的保持特性以及耐擦写性. 在对单斜晶HfO₂中四配位氧空位(V_O4) 缺陷和V_O4 与Al替位Hf掺杂的共存缺陷体(Al+V_O4)两种超晶胞模型进行优化之后, 分别计算了其相互作用能、形成能、Bader电荷、态密度以及缺陷俘获能. 相互作用能和形成能的计算结果表明共存缺陷体中当两种缺陷之间的距离为2.216 Å时, 结构最稳定、缺陷最容易形成; 俘获能计算结果表明, 共存缺陷体为双性俘获, 且与V_O4缺陷相比, 俘获能显著增大; Bader电荷分析表明共存缺陷体更有利于电荷保持; 态密度的结果说明共存缺陷体对空穴的局域能影响较强; 计算两种模型擦写电子前后的能量变化表明共存缺陷体的耐擦写性明显得到了改善. 因此在HfO₂俘获层中可以通过加入Al杂质来改善存储器的保持特性和耐擦写性. 本文的研究可为改善CTM数据保持特性和耐擦写性提供一定的理论指导.     

二维VOBr2单层的结构畸变及其磁性和铁电性

借助第一性原理计算,对VOBr₂单层的结构、磁性以及铁电性进行了系统研究.计算结果表明低温下VOBr₂会产生自发铁电极化,从高对称顺电相转变为铁电相结构.与同族姊妹材料VOI₂不同的是,V的二聚化现象不仅无法在VOBr₂中稳定存在,还会导致局域磁_矩淬灭.此外,VOBr₂易磁化轴在面内a轴方向,面内a,b轴上近邻磁矩均为反铁磁耦合.VOBr₂中的铁电极化主要由V在a轴方向V—O—V链上的铁电位移产生,大小约为40μC/cm~2.与铁电同步翻转相比,通过分步翻转不同链上的铁电极化,可以有效降低铁电翻转能垒,从而有望通过低能外场实现部分或个别链上的铁电翻转,为低能耗高密度铁电存储器件设计提供新的思路和方向.     

Ba(Mg1/3Nb2/3)O3电子结构第一性原理计算及光学性能研究

Ba(Mg_1/3Nb_2/3)O₃ (BMN)复合钙钛矿陶瓷具有高介电常数和高品质因子等介电性能, 预示了其在光学领域的应用前景. 本文采用第一性原理方法计算了BMN的电子结构, 对其本征光学性能进行分析和预测. 对固相合成六方相BMN的XRD 测试结果进行Rietveld精修(加权方差因子R_wp=6.73%, 方差因子R_p=5.05%), 在此基础上建立晶体结构模型并对其进行几何优化. 运用基于密度泛函理论(DFT)的平面波赝势方法, 对六方相BMN晶体模型的能带、态密度和光学性质进行理论计算. 结果表明BMN的能带结构为间接带隙, 禁带宽度E_g=2.728 eV. Mg-O和Ba-O以离子键结合为主, Nb-O以共价键结合为主, 费米面附近的能带主要由O-2p和Nb-4d 态电子占据, 形成了d-p轨道杂化. 修正带隙后, 计算了BMN沿[100]和[001]方向上的复介电函数、吸收系数和反射率等光学性质. 结果表明, BMN近乎光学各向同性, 在可见光区, 其本征透过率为77%< T <83%, 折射率为1.91< n <2.14, 并伴随一定的色散现象. 实验测试结果与理论计算结果相吻合.     

CeO2的电子结构，光学和晶格动力学性质：第一性原理研究

基于考虑了Ce-4f电子间的库仑作用U和交换作用J的LDA+U方案,应用第一性原理计算系统研究了CeO₂的电子结构,光学和晶格动力学性质.电荷密度和电子局域函数的分布特征表明,CeO₂是属于共价键的绝缘体.介电常数、玻恩有效电荷张量和声子色散曲线的计算值和相应的实验结果符合得比较好. 关键词： 电子结构 光学性质 晶格动力学 第一性原理计算     

单层Nb2SiTe4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A₂BX₄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A₂BX₄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,Nb2SiX4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.Nb₂SiX₄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.     

掺杂Fe对VH2解氢性能影响的第一性原理研究

采用密度泛函理论(DFT)的第一性原理的平面波超软赝势方法,研究了Fe掺杂对VH₂的电子结构和解氢性能的影响.通过计算Fe掺杂VH₂前后体系的合金形成热、V-H之间的重叠布居数、电子态密度、电子密度,发现Fe掺杂VH₂后,随着Fe含量增加,合金体系的晶胞参数和晶胞体积逐渐减少;体系的负合金形成热逐渐减少,且掺杂后体系的负合金形成热都比VH₂的负合金形成热小,体系的稳定性降低;电子态密度计算也显示Fe掺杂后费米能级处的电子浓度增加,体系稳定性降低;重叠布居数和电子密度计算表明掺杂后V-H之间的重叠布居数由0.1减小为0.08或0.09,V-H之间的电子密度减少,说明V和H原子之间的相互作用减弱,提高了VH₂的解氢性能.计算结果解释了实验现象. 关键词： Fe掺杂 电子结构 解氢性能 第一性原理计算     

掺杂半导体β-FeSi2电子结构及几何结构第一性原理研究

采用基于第一性原理的密度泛函理论全势线性缀加平面波法,使用广义梯度近似处理交换相关势能,首先计算了β-FeSi2的电子结构及其各元素各亚层电子的能态密度,β-FeSi2的电子能态密度主要由Fe的d层电子和Si的p层电子的能态密度确定;其次通过计算不同掺杂系统的总能量确定了掺杂原子在β-FeSi2中的置换位置,在β-FeSi2中,Co置换FeⅡ位置的Fe原子,Al置换SiⅠ位置的Si原子,这种择位置换与现有的计算结果完全一致;最后计算了Fe1-xCoxSi2和Fe(Si1-xAlx)2的电子结构,对它们的电子结构特征进行了分析,并探讨了电子结构对其热电性能(塞贝克系数、电传输及热传输性能)的影响.     

K(Ta0.56Nb0.44)O3四方铁电结构的第一性原理研究

在广义梯度近似(GGA)下利用全电势线性化的缀加平面波法(FLAPW)的总能量计算,确定了K(Ta_0.56Nb_0.44)O₃固溶体的四方精细结构,即B位离子(Ta和Nb)在铁电相的平衡构型.结果表明,Ta相对于氧八面体沿[001]方向有约为0005nm的偏心位移,而Nb的偏心位移约为0016nm,铁电非稳的发生主要应归因于后者. 关键词：     

LiFePO4 晶格动力学性质的第一性原理研究

基于考虑了Fe-3d电子间的库仑作用U和交换作用J的GGA+U方案,应用第一性原理计算系统研究了LiFePO₄的晶格动力学性质.我们计算并分析了玻恩有效电荷张量、布里渊区中心的声子频率和声子色散曲线.玻恩有效电荷张量显示各向异性,佐证了LiFePO₄中锂离子沿一维通道[010]方向迁移的机理.布里渊区中心点声子频率的计算值和相应的实验结果符合得比较好. 关键词： 4')" href="#">LiFePO₄ 晶格动力学 第一性原理计算     

铜掺杂Cu2SnSe4的热电输运性能

Cu₂SnSe₄化合物具有本征的低热导率和可调控的电导率,同时不含稀贵元素、无毒和价格低廉,具有作为中温区热电材料的潜力.本文通过高能球磨结合放电等离子烧结制备了Cu₂SnSe₄以及Cu掺杂的Cu_2+xSnSe4块体材料(0.2≤z≤1).研究了Cu掺杂填充Cu/Sn位置上1/4本征空位对Cu_2+xSnSe₄热电性能的影响,发现Cu/Sn中1/4空位能够被Cu完全填满(x=1),且Cu掺杂能够大幅度地提升(可达两个数量级)样品的电导率,从而显著提高了功率因子.同时,发现在大Cu掺杂量范围(0.1≤x≤0.8)内,Cu_2+xSnSe4电导率增长与掺杂量增加呈线性关系,且载流子迁移率随Cu掺杂量的增加而增加.进一步的研究发现,载流子在Cu_2+xSnSe₄中的电输运行为遵循电子-声子耦合的小极化子模型.