本征及掺杂石墨烯对2,3,7,8-四氯二苯并呋喃吸附机理的计算模拟研究

二噁英对人类和环境具有较高的毒性,因此,研制出有效的二噁英有机污染物的去除和检测方法尤为重要.本研究采用密度泛函理论模拟方法详细探讨了本征及Ti,Fe及Pt掺杂石墨烯对2,3,7,8-四氯二苯并呋喃(2,3,7,8-tetrachlorodibenzofuran,TCDF)二噁英污染物的吸附机理.研究结果表明,本征石墨烯及掺杂石墨烯表面对TCDF均有一定程度的吸附,而Ti和Fe掺杂石墨烯对TCDF的吸附远大于本征石墨烯对TCDF的吸附.主要原因是TCDF与本征石墨烯之间主要形成了π…π,C-H…π和C-Cl…π非共价的相互作用,而与掺杂石墨烯之间主要形成了metal-O共价相互作用.研究结果有望为石墨烯材料在二噁英污染物TCDF吸附方面的应用提供有价值的理论指导.     

DFT研究掺杂和电场条件下2,6-二氯苯并-2,4-二氯苯胺在石墨烯表面的吸附

本工作采用密度泛函理论详细探讨了2,6-二氯苯并-2,4-二氯苯胺（2,6-DBDA）氯代有机二噁英与纯的, Fe和Ti掺杂石墨烯之间的吸附机理, 并考虑了外加电场对吸附的影响. 结果表明掺杂 Fe和Ti原子增强了2,6-DBDA 在石墨烯表面的吸附, 这是因为Fe和Ti掺杂石墨烯与2,6-DBDA间形成了metal-N和metal-Cl共价相互作用. 此外, 在外加电场的作用下, 不同原子掺杂的石墨烯对2,6-DBDA的吸附影响不同. 2,6-DBDA-Ti-G体系, 在添加0.010 au的外电场时有最大相互作用, 而2,6-DBDA-Fe-G体系, 相互作用随着电场的施加反而有所减小. 金属掺杂及电场可以灵活调控2,6-DBDA在石墨烯表面的吸附, 此研究有望为氯代有机二噁英的检测及去除提供有价值的理论指导.     

表面吸附对单层黑磷砷结构、电子性质和磁性调控的第一性原理研究

基于第一性原理，系统研究了11种不同原子吸附在单层AsP上的几何结构、吸附能、磁矩和电子结构性质. 使用的吸附原子包括轻质非金属(C、N、O)原子，第三周期金属原子(Na、Mg、Al)和过渡金属原子(Ti、V、Cr、Mn和Fe). 研究结果表明，吸附原子引起了AsP多样的结构、磁性和电子性质改变. AsP与所研究的吸附原子都能紧密结合，并且所有系统的吸附能都比吸附原子在石墨烯、SiC、BN以及MoS₂上的吸附能强得多. AsP的半导体特性受到吸附原子的影响，其可以诱导产生中间能隙态或引起n型掺杂. 此外，表面吸附产生了不同的自旋电子特性，具体而言，吸附N、Ti和Fe的AsP成为双极半导体；Mn修饰的AsP成为双极自旋无间隙半导体.     

密度泛函理论研究草甘膦在纯的, 金属原子掺杂石墨烯表面的吸附机理

本研究采用密度泛函理论方法详细讨论了纯的石墨烯及Ti, Fe, Al, Ca原子掺杂石墨烯吸附草甘膦的机理.通过它们之间的吸附能,差分电荷密度,布居电荷,态密度分析发现草甘膦可以被纯的石墨烯及金属原子掺杂石墨烯不同程度地吸附.纯的石墨烯对草甘膦的吸附作用远不及掺杂石墨烯,其中,草甘膦在Ca掺杂石墨烯表面有最强相互作用.这是因为草甘膦与纯的石墨烯之间主要形成了-P=O…π,-COOH…π和-OH…π非共价的相互作用,而与掺杂石墨烯之间主要形成了Metal-O“单齿”和O-Metal-O“双齿”共价相互作用.本研究结果希冀为石墨烯在环境保护方面的应用提供有价值的理论指导.     

过渡金属原子掺杂的锯齿型磷烯纳米带的磁电子学特性

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了掺杂铁、钴和镍原子的锯齿型磷烯纳米带(ZPNR)的磁电子学特性.研究表明,掺杂和未掺杂ZPNR的结构都是稳定的.当处于非磁态时,未掺杂和掺杂钴原子的ZPNR为半导体,而掺杂铁或者镍原子的ZPNR为金属.自旋极化计算表明,未掺杂和掺杂钴原子的ZPNR无磁性,而掺杂铁或者镍原子的ZPNR有磁性,但只能表现出铁磁性.处于铁磁态时,掺杂铁原子的ZPNR为磁性半导体,而掺杂镍原子的ZPNR为磁性半金属.掺杂铁或者镍原子的ZPNR的磁性主要由杂质原子贡献,产生磁性的原因则是在ZPNR中存在未配对电子.掺杂位置对ZPNR的磁电子学特性有一定的影响.该研究对于发展基于磷烯纳米带的纳米电子器件具有重要意义.     

钴原子插层增强磷烯纳米片析氢反应活性

本文基于第一性原理计算,证明了钴插层磷烯的析氢催化活性可以显著增强.钴插层磷烯具有金属特性,电荷从钴原子向磷烯转移,增强了磷烯的催化活性.钴插层磷烯表面的氢吸附吉布斯自由能与铂(111)表面相当,与氢覆盖度无关.研究结果表明钴原子插层提供了一种有效的方法来增强磷烯的析氢反应催化活性.     

表面吸附对单层黑磷砷结构、电子性质和磁性调控的第一性原理研究（英文）

基于第一性原理,系统研究了11种不同原子吸附在单层AsP上的儿何结构、吸附能、磁矩和电子结构性质.使用的吸附原子包括轻质非金属(C、N、O)原子,第三周期金属原子(Na、Mg、Al)和过渡金属原子(Ti、V、Cr、Mn和Fe).研究结果表明,吸附原子引起了AsP多样的结构、磁性和电子性质改变.AsP与所研究的吸附原子都能紧密结合,并且所有系统的吸附能都比吸附原子在石墨烯、SiC、BN以及MoS_2上的吸附能强得多.AsP的半导体特性受到吸附原子的影响,其可以诱导产生中间能隙态或引起n型掺杂.此外,表面吸附产生了不同的自旋电子特性,具体而言,吸附N、Ti和Fe的AsP成为双极半导体;Mn修饰的AsP成为双极自旋无间隙半导体.     

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.     

金属银离子与四氯二苯并对二恶英相互作用及其表面增强拉曼光谱的研究

本文基于DFT方法计算了2,3,7,8-四氯二苯并对二恶英(2,3,7,8-TCDD)结构和振动性质。为了考察分子与金属表面的吸附和相互作用,建立了两种金属银离子与2,3,7,8-TCDD分子的复合体系,计算了它们的分子结构、电子结构和振动性质。基于计算结果详细分析了结构的变化、金属离子与分子中不同原子之间的相互作用;另外,根据不同体系拉曼散射强度的变化,对拉曼强度变化较大的特征振动进行了分析和讨论。文中给出的计算结果可用于指导相应的实验研究。     

碱金属在磷烯表面吸附，迁移行为的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的平面波赝势方法研究了碱金属（Li、Na、K）−磷烯体系,分析了体系的吸附性质、电学性质和迁移行为. 结果表明：碱金属在磷烯表面的最稳定吸附位都是H位.吸附过程中电荷由碱金属原子转移到磷烯,碱金属−磷烯体系表现出一定的离子性. 碱金属−磷烯体系的吸附能从大到小为ΔELi−磷烯大于ΔEK−磷烯大于ΔENa−磷烯. Li→Na→K,随着原子序数的递增,体系的离子性逐渐增强;碱金属原子越来越容易在磷烯表面迁移.     

Computationally predicting spin semiconductors and half metals from doped phosphorene monolayers

First-principles computations are performed to investigate phosphorene monolayers doped with 30 metal and nonmetal atoms. The binding energies indicate the stability of all doped configurations. Interestingly, the magnetic atom Co doping induces the absence of the magnetism while the magnetism is realized in phosphorene with substitutional doping of nonmagnetic atoms (O, S, Se, Si, Br, and Cl). The magnetic moment of transition metal (TM)-doped systems is suppressed in the range of 1.0-3.97 μ_B. The electronic properties of the doped systems are modulated differently; O, S, Se, Ni, and Ti doped systems become spin semiconductors, while V doping makes the system a half metal. These results demonstrate potential applications of functionalized phosphorene with external atoms, in particular to spintronics and dilute magnetic semiconductors.     

3d过渡金属元素掺杂Al12N12纳米线几何结构和电子性能的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,系统地研究了不同3d过渡金属元素(Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni)掺杂Al₁₂N₁₂纳米线的几何结构、稳定性和电子结构.结果表明：所有掺杂体系均是热力学稳定的;掺杂Ni时体系保留了原有的非磁性间接带隙半导体特性;当掺杂其它原子(Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co)时体系仍然保持为半导体,但带隙明显减小.掺杂过渡金属原子对于Al₁₂N₁₂纳米线的电子结构具有明显的调控作用,在能带调控和光电方面有潜在的应用前景.     

Metal adsorption on monolayer blue phosphorene: A first principles study

We investigated the electronic structure, adsorption energies, magnetic properties, dipole moment and work function of metal adatoms (Mg, Cr, Mo, Pd, Pt, and Au) adsorption on a blue phosphorene monolayer. For Mg, Pt and Au metals, the most stable state was found in hollow site while for Cr, Mo and Pd metals we found an adsorption in valley site. We suggest that the Pd and Pt atoms prefer 2D growth mode while the Mg, Cr, Mo and Au atoms prefer 3D island growth mode on monolayer phosphorene. The electronic band structures and magnetic properties were dependent on the doping site and dopant materials. For instance, the semiconducting features were preserved in Mg, Pd, Pt, and Au doped systems. However, the Cr and Mo doped systems displayed half-metallic band structures. The total magnetic moment of 4.05, 2.0 and $0.77{\text{μ}}_B/\text{impurity}$ atom were obtained in Cr, Mo and Au doped systems whereas the Mg, Pd and Pt doped systems remained nonmagnetic. We also investigated the magnetic interaction between two transition metal impurities. We observed ferromagnetic coupling between two transition metal impurities in Cr and Mo doped systems while the Au doped system displayed almost degenerated magnetic state. For Mg, Cr, and Mo adsorptions, we found relatively large values of dipole moments compared to those in the Pd, Pt and Au adsorptions. This resulted in a significant suppression of the work function in Mg, Cr and Mo adsorptions. Overall, adsorption can tune the physical and magnetic properties of phosphorene monolayer.     

Fe,Co,Ni掺杂石墨烯表面吸附C_2H_4的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA),本文对本征石墨烯以及掺杂Fe,Co,Ni石墨烯的几何结构和电子性质进行了优化计算,并计算了C_2H_4在本征石墨烯以及掺杂石墨烯表面的吸附过程,讨论了体系的吸附能、稳定性、DOS及掺杂对键长的影响.结果表明C_2H_4在本征石墨烯B位的吸附和掺杂石墨烯的吸附为化学吸附,在本征石墨烯T和H位的吸附为物理吸附;掺杂后石墨烯的比表面积增大,与本征石墨烯相比,掺杂使费米能级附近的态密度积分显著提高,表明掺杂石墨烯的电导性会发生变化,从而影响对C_2H_4的气敏度..C_2H_4在Fe、Co、Ni分别掺石墨烯的最佳吸附位为T位、H位和B位;掺杂Fe,Ni后体系的吸附能力显著提高,且掺杂Ni时体系的吸附能力最好.     

Electronic and structural properties of black phosphorene doped with Si,B and N

The electronic and structural properties of substitutional and doped phosphorene with B, N and Si were studied using first principles calculations based on density functional theory. Moreover, electronic and structural properties of functionalized phosphorene slowly increasing the concentration of doping was investigated. Phosphorene strongly binds with doped functionalization; B doped phosphorene is the most stable configuration studied. Si doped phosphorene maintains the semiconductor characteristic. B and N doped phosphorene present n-type and p-type semiconductors, respectively. Doped phosphorene with odd number of Si is a semiconductor material, doped phosphorene with an odd number of B has n-type semiconductor characteristic, and doped phosphorene with odd number of N atoms has a p-type semiconductor behaviour. Doped phosphorene with even number of Si has a metallic characteristic, while B and N doped phosphorene with even number present a semiconductor behaviour. This work reveals that phosphorene electronic properties could be changed by introducing the dopants on the system, and the properties are affected by the increasing number of dopants on phosphorene sheet.     

过渡元素掺杂对Mo力学性能的第一性原理研究

基于密度泛函理论,采用第一性原理方法计算了在Mo中掺杂摩尔百分比分别为2.08%和4.17%的过渡金属元素W,Ti,Cu和Fe后,体系在[111](110)滑移系统上的广义层错能以及解理能,并研究了掺杂元素对Mo的剪切形变以及脆性一韧性的影响,研究发现,掺杂W和Ti原子会使体系剪切形变的发生变得困难,并使Mo材料变脆;而掺杂Cu和Fe原子则会使体系剪切形变的发生变得相对容易,并使Mo材料的韧性增强,此外,随着掺杂浓度的增加,掺杂W会使体系剪切形变的发生变得更为困难,并使Mo材料脆性更强;而掺杂Fe则会使体系剪切形变的发生变得更为容易,并使Mo材料的韧性更强。     

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.