电场作用下S修饰C24N24从CO2/N2混合气体中选择性吸附

在燃烧后气体中选择性捕获CO2,对减缓因CO2浓度过高引发的环境问题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S修饰C24N24富勒烯对CO2的选择性吸附性能。首先研究了S@C24N24的结构和性质,发现其具有良好的稳定性。其次,研究了无电场时S修饰C24N24富勒烯对CO2的吸附行为,发现其吸附为弱的物理吸附。另外,进一步研究了外加电场作用下S@C24N24对CO2的吸附行为。结果表明,结合距离（CO2与S）和CO2的键角（O=C=O）随电场的增大而减小;当电场增加到0.018 au时,物理吸附转变为化学吸附。关闭电场时,化学吸附又转化为物理吸附。此外,即使在相同的电场条件下,S修饰C24N24富勒烯对N2的吸附也为弱的物理吸附。这表明,通过控制外加电场的开/关,S@C24N24可以从CO2/N2混合气体中选择性捕获/释放CO2,可作为选择性捕获CO2的优良候选材料。     

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.     

电场作用下S修饰C24N24从CO2/N2混合气体中选择性吸附CO2的第一性原理计算

在燃烧后气体中选择性捕获CO₂,对减缓因CO₂浓度过高引发的环境问题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S修饰C₂₄N₂₄富勒烯(S@C₂₄N₂₄)对CO₂的选择性吸附性能.首先研究了S@C₂₄N₂₄的结构和性质,发现其具有良好的稳定性.其次,研究了无电场时S@C₂₄N₂₄对CO₂的吸附行为,发现其吸附为弱的物理吸附.另外,进一步研究了外加电场作用下S@C₂₄N₂₄对CO₂的吸附行为.结果表明,结合距离(CO₂与S)和CO₂的键角(O=C=O)随电场的增大而减小;当电场增加到0.018 a.u.时,物理吸附转变为化学吸附.关闭电场时,化学吸附又转化为物理吸附.此外,即使在相同的电场条件...     

掺杂硅烯吸附CO分子的第一性原理研究

硅烯具有独特的电子、光学、热学、力学以及量子特性,在电子器件、电极材料、储氢材料、催化剂和气体传感器等领域有巨大的潜在应用价值.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,利用Materials Studio软件中的CASTEP程序包对硅烯与CO分子之间的吸附行为进行了研究.重点研究了硅烯掺杂方式、CO分子吸附构型及硅烯空位缺陷浓度对CO分子吸附的影响,研究结果表明：1)空位缺陷硅烯对CO分子的吸附能力最强;2)碳原子垂直朝向空位缺陷硅烯更有利于CO分子的吸附;3)硅烯对CO分子的吸附能力随其空位浓度的增加显著增强;4)空位硅烯向CO分子转移电荷,电荷转移量与二者的吸附作用强弱呈正相关.该研究可为硅烯基CO气体传感器的设计提供理论指导.     

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.     

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.     

二维Ti_2CO_2单层吸附H_2S分子的第一性原理研究

采用第一性原理计算方法研究了H_2S分子在二维单层Ti_2CO_2表面上的吸附以及外加应变和电场对其性质的调制,发现该吸附为物理吸附,其吸附强度几乎不受外加拉伸应变的影响,而外加电场使H_2S分子的吸附增强.同时,通过单层Ti_2CO_2表面不同结构(如水分子修饰、官能团掺杂、氧官能团空位)对H_2S分子吸附性质影响的研究表明:(1)表面吸附的水分子促进H_2S分子的吸附,其吸附强度随H_2O分子数增多而增强;(2)官能团OH掺杂浓度低于0.22 ML时,促进H_2S分子的吸附,而较高浓度OH掺杂使H_2S分子吸附减弱;官能团F掺杂对H_2S分子吸附强度几乎没有影响;(3)含氧空位的Ti_2CO_2表面与H_2S分子相互作用较强,吸附能高达-1.06 eV,且电子结构改变明显.     

五角石墨烯吸附H2S的第一性原理计算

硫化氢作为一种神经毒物和腐蚀性气体污染物,严重威胁人体健康并限制工业的发展.本文采用第一性原理计算的方法,研究了H₂S气体分子在原始五角石墨烯、非金属掺杂及金属掺杂五角石墨烯上的吸附行为.详细计算了H₂S气体分子与五角石墨烯之间的吸附构型、吸附能及电荷转移.结果表明:1)原始五角石墨烯和非金属元素掺杂五角石墨烯与H₂S气体分子间仅为微弱的物理吸附,无法直接用于吸附H₂S气体;2) Co、Ni、Cu及Ti掺杂的五角石墨烯对H₂S气体的吸附作用显著增强.当金属掺杂在sp~2C位置时,掺杂五角石墨烯对H₂S气体的吸附效果较好,此时的吸附均为化学吸附;3) Co、Ni、Cu及Ti掺杂的五角石墨烯均可作为H₂S气体的传感/捕获材料.其中Cu掺杂五角石墨烯吸附H₂S气体的效果最好.本文的研究结果对设计开发基于五角石墨烯的H₂S气体传感/捕获材料提供了理论指导.     

掺杂PPQ薄膜的电致发光及电场调制

从掺杂PPQ薄膜单层器件的电致发光光谱在掺杂前后的变化。说明掺杂PPQ薄膜中存在着基质分子和掺杂分子间的能量传递，其电致发光光谱随加电场变化说明电场对PPQ薄膜的电致发光具有调制作用。用一个由单链模型扩展到包括杂质和外场的Hamiltonian进行数值求解。结果表明：在PPQ和TPL分子之间有效的能量传递是源于它们之间的是荷转移，且随着外加电压的变化，其电致发光谱峰位的移动与掺杂前后系统总量的改变及发光强度与掺杂后转移的电荷数之间分别存在对应关系，这一模型很好地解释了电场对PPQ薄膜电致发光的调制作用。     

磁性硅烯超晶格中电场调制的谷极化和自旋极化

研究了基于硅烯的静电势超晶格、铁磁超晶格、反铁磁超晶格中谷极化、自旋极化以及赝自旋极化的输运性质,分析了铁磁交换场、反铁磁交换场以及化学势对输运性质的影响,讨论了电场对谷极化、自旋极化以及赝自旋极化的调控作用.结果表明:当3种超晶格的晶格数达到10以上时,在硅烯超晶格中很容易实现100%的谷极化、自旋极化和赝自旋极化,而且通过调节超晶格上的外加电场可以使极化方向发生翻转,从而在硅烯超晶格中实现外电场对谷自由度、自旋自由度以及赝自旋自由度的操控.     

电场中LiF分子吸附H_2的理论研究

采用密度泛函理论方法研究了电场中H_2在LiF分子上的吸附行为.结果表明,无电场时,H_2能在Li与F原子上形成弱的物理吸附.外加电场可显著提高其吸附强度, H_2在Li/F上的吸附能由无电场时的-0.112/-0.122eV提高到场强为0.005 a. u.时的-0.122/-0.171 eV, H_2吸附在F上时更稳定.利用分子中的原子量子理论(QTAIM)方法研究了电场增强吸附的机理,表明电场促进了H_2与LiF间的电荷转移,同时使LiF及H_2极化,增强了其间的静电作用,从而提高了吸附强度.电场中LiF最多能吸附10个H_2,相应的质量密度达43.5 wt%.表明电场诱导LiF材料吸附H_2是一种具有潜力的储氢方法.     

电场中MgO分子吸附H2的理论研究

研究电场中MgO分子与H2的相互作用是探索MgO材料储氢性能的基础。在B3LYP/6-31G**水平上研究了电场中H2在MgO分子上的吸附行为。结果给出电场中单个H2在Mg/O上的吸附能由无电场时-0.021/-0.099eV提高到场强为0.005a.u.时的-0.037/-0.139 eV。H2吸附在O离子上时,电场效应更显著。电场中MgO分子最多能吸附10个H2,相应的质量密度达33wt%。表明电场诱导MgO材料吸附H2是一种具有潜力的储氢方法。通过电子结构分析讨论了电场中MgO分子储氢的机理。     

电场中MgO分子吸附H_2的理论研究

研究电场中MgO分子与H_2的相互作用是探索MgO材料储氢性能的基础.在B3LYP/6-31G**水平上研究了电场中H2在MgO分子上的吸附行为.结果给出电场中单个H_2在Mg/O上的吸附能由无电场时-0.021/-0.099eV提高到场强为0.005a.u.时的-0.037/-0.139eV.H2吸附在O离子上时,电场效应更显著.电场中MgO分子最多能吸附10个H_2,相应的质量密度达33wt%.表明电场诱导MgO材料吸附H_2是一种具有潜力的储氢方法.通过电子结构分析讨论了电场中MgO分子储氢的机理.     

Band gap engineering in silicene: A theoretical study of density functional tight-binding theory

In this work, we performed first principles calculations based on self-consistent charge density functional tight-binding to investigate different mechanisms of band gap tuning of silicene. We optimized structures of silicene sheet, functionalized silicene with H, CH₃ and F groups and nanoribbons with the edge of zigzag and armchair. Then we calculated electronic properties of silicene, functionalized silicene under uniaxial elastic strain, silicene nanoribbons and silicene under external electrical fields. It is found that the bond length and buckling value for relaxed silicene is agreeable with experimental and other theoretical values. Our results show that the band gap opens by functionalization of silicene. Also, we found that the direct band gap at K point for silicene changed to the direct band gap at the gamma point. Also, the functionalized silicene band gap decrease with increasing of the strain. For all sizes of the zigzag silicene nanoribbons, the band gap is near zero, while an oscillating decay occurs for the band gap of the armchair nanoribbons with increasing the nanoribbons width. At finally, it can be seen that the external electric field can open the band gap of silicene. We found that by increasing the electric field magnitude the band gap increases.     

有机分子吸附和衬底调控锗烯的电子结构

锗基集成电子学的发展潜力源于其极高的载流子迁移率以及与现有的硅基和锗基半导体工业的兼容性,而锗烯微小带隙能带特点极大程度地阻碍其应用.因此,在不降低载流子迁移率的情况下,打开一个相当大的带隙是其应用于逻辑电路中首先要解决的问题.本文采用范德瓦耳斯力修正的密度泛函理论计算方法,研究了电场作用下有机分子吸附和衬底对锗烯原子结构和电学性质的影响.研究结果表明,有机分子吸附和衬底通过弱相互作用破坏了锗烯亚晶格的对称性,从而在狄拉克点上打开了相当大的带隙.苯/锗烯和六氟苯/锗烯体系均在K点打开了带隙.当使用表面完全氢化的锗烯(锗烷HGeH)衬底时,苯/锗烯/HGeH和六氟苯/锗烯/HGeH体系的带隙可进一步变宽,带隙值分别为0.152和0.105 eV.在外电场作用下,上述锗烯体系可实现大范围的近似线性可调谐带隙.更重要的是,载流子迁移率在很大程度上得以保留.本文提出了一种有效的可调控锗烯带隙的设计方法,为锗烯在场效应管和其他纳米电子学器件中的应用提供了重要的理论指导.     

A first principle calculation of electronic and dielectric properties of electrically gated low-buckled mono and bilayer silicene

The structural, electronic and dielectric properties of mono and bilayer buckled silicene sheets are investigated using density functional theory. A comparison of stabilities, electronic structure and effect of external electric field are investigated for AA and AB-stacked bilayer silicene. It has been found that there are no excitations of electrons i.e. plasmons at low energies for out-of-plane polarization. While for AB-stacked bilayer silicene 1.48 eV plasmons for in-plane polarization is found, a lower value compared to 2.16 eV plasmons for monolayer silicene. Inter-band transitions and plasmons in both bilayer and monolayer silicene are found relatively at lower energies than graphene. The calculations suggest that the band gap can be opened up and varied over a wide range by applying external electric field for bilayer silicene. In infra-red region imaginary part of dielectric function for AB-stacked buckled bilayer silicene shows a broad structure peak in the range of 75–270 meV compared to a short structure peak at 70 meV for monolayer silicene and no structure peaks for AA-stacked bilayer silicene. On application of external electric field the peaks are found to be blue-shifted in infra-red region. With the help of imaginary part of dielectric function and electron energy loss function effort has been made to understand possible interband transitions in both buckled bilayer silicene and monolayer silicene.     

Goos–H?nchen-like shift related to spin and valley polarization in ferromagnetic silicene

We study the Goos–H?nchen-like shift of single silicene barrier under the external perpendicular electric field, offresonant circularly polarized light and the exchange field modulation using the stationary-phase method. The results show that the Goos–H?nchen-like shift of silicene resulting from the external perpendicular electric field does not have the characteristics of spin or valley polarization, while that from off-resonant circularly polarized light or the exchange field is spin-polarized. More importantly, the combined effect of the external perpendicular electric field and the exchange field or off-resonant circularly polarized light can cause the Goos–H?nchen-like shift of the system to be spin and valley polarized.It is particularly worth noting that when the three modulations are considered at the same time, as the exchange field changes, the system will have a positive or negative Goos–H?nchen-like shift.     

各Li吸附组分下硅烯氢存储性能的第一性原理研究

利用Li原子对硅烯进行表面修饰是提高硅烯氢存储能力的一种有效方法.为了充分挖掘Li修饰硅烯的氢存储性能,本文采用范德瓦耳斯作用修正的第一性原理计算方法,对不同Li吸附组分下硅烯的结构、稳定性和氢存储能力进行了研究.研究结果表明,硅烯体系能够在Li组分从0.11增加到0.50时保持稳定,其最大储氢量随Li组分的增加而增大,氢气平均吸附能则存在减小趋势;当Li组分达到0.50而饱和时,硅烯体系具有最大的储氢量,相应的质量储氢密度为11.46 wt%,平均吸附能为0.34 eV/H2,远高于美国能源部设定的储氢标准,表明提高Li组分甚至使其达到饱和在理论上能有效提高Li修饰硅烯的储氢性能.此外,通过对Mulliken电荷布居、差分电荷密度和态密度的分析,发现Li修饰硅烯的储氢机制与电荷转移诱导的静电相互作用和轨道杂化作用有关.研究结果可为Li修饰硅烯在未来氢存储领域的应用提供理论指导.