锂离子电池掺钴正极材料电子结构的DV-Xa研究

采用原子基表示的第一原理赝势方法，计算了正极材料LiMn2O4的电子结构，发现LiMn2O4的价带主要是由Mn(8)和Mn(9)的3d轨道和O(7)、O(6)、O(4)的2p轨道构成，导带主要是由Mn(8)和Mn(9)的3d轨道和O(7)的2p轨道构成．通过计算Li5Mn2C0O8的电子结构，发现在LiMn2O4中用钴离子取代16d位锰离子将使电极材料的费米能减小，放电电压降低；锂离子的净电荷增大，锂离子与氧离子的相互作用增强，可逆容量降低；同时由于价带宽度变窄，Co-O键间的相互作用比Mn-O键间的相互作用强，所以，结构稳定性增加，电极循环性能改善．     

TiO_2缺陷结构电子性质的第一性原理计算

本文采用第一性原理研究了O空位缺陷、Ti空位缺陷TiO_2的能带结构、总态密度、吸收谱.通过研究发现:与TiO_2超胞结构的能带相比,O空位缺陷体系的价带与导带能量均向低能区域移动,费米能级与导带底交错,呈现出n型半导体,Ti空位缺陷的TiO_2的费米能级与价带顶部的能级交错,为p型半导体材料.对于O空位缺陷TiO_2总态密度与分波态密度在低能区的态密度则主要由O的3s、3p轨道贡献的能量,而在费米能附近的态密度则主要由Ti的4d轨道贡献能量;Ti空位缺陷的态密度总态密度仍然由O的3s、3p和Ti的4d轨道贡献的能量;同时分析吸收光谱发现峰值下移较多的是钛缺陷体系,其原因在于Ti缺陷结构中未成键电子的相互作用.     

第一性原理计算：锰酸锂掺杂Fe和Co的性质研究

文章基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了LiMn2O4电池材料在掺杂Fe和Co离子时的电子结构和电化学性能。发现Fe\Co取代Mn3+在热力学上是会更加稳定,提升电化学性能。掺杂Fe后,LiMn2O4电池材料晶格参数减小(约0.3%);掺杂Co后,LiMn2O4电池材料晶格参数减小(约0.5%)。这两种掺杂方式让与之相邻的Mn3+被氧化成Mn4+,从而降低了Jahn-Teller畸变情况产生可能性。对于掺Fe尖晶石型锰酸锂(Li8Mn15FeO32),Mn环境中的Li离子会更容易被提取,第一次放电电压从原来的3.7V增加至4.623V;对于掺Co尖晶石型锰酸锂(Li8Mn15CoO32),第一次放电电压从原来的3.7V增加至4.101V。研究为锂电池电容量研究提供理论数据的参考。     

金属氧化物包覆LiMn_2O_4的红外光谱及光电子能谱研究

本文采用溶液化学的方法,在锂离子电池正极材料LiMn2O4上包覆一层金属氢氧化物前驱体,再通过热处理得到稳定的金属氧化物包覆层。傅立叶红外光谱(FIIR)的研究表明,当包覆LiMn2O4中外来金属原子的实际百分比小于1.11%时,不能探测到包覆层红外信号。X射线光电子能谱(XPS)的研究表明,表面包覆层中Al或Mg的存在不仅削弱Mn-O键的作用,而且给体系引入过多的正电荷,导致Mn(2p)结合能的降低。包覆层中的Al2O3和MgO均在加热过程中向LiMn2O4体相中扩散;而包覆层中的SnO2在焙烧后并未进入LiMn2O4晶格内,而是附着于其表面。     

铁磁性高锰硅化物Mn_4Si_7电子特性的第一性原理计算

本文采用基于第一性原理的密度泛函理论超软雁势平面波方法,对铁磁性半导体高锰硅化合物Mn_4Si_7进行了理论计算.结果表明块体Mn_4Si_7是准直接带隙半导体材料,其价带主要是由Mn的3d轨道电子构成,导带主要是由Mn的3d及Si的3p轨道电子构成.相同自旋轨道下,自旋向下态的电子更容易占据较高的能级.而自旋向上态的电子对Mn_4Si_7的禁带宽度起主导作用. Mn_4Si_7的费米能级附近各轨道未被电子占满,且自旋向上态与自旋向下态电子的不对称分布使其具有了磁性.为Mn_4Si_7磁学特性提供主要贡献的是Mn的3d轨道电子,而Si的3p和3s轨道电子提供了一个小的贡献.     

掺锰铌酸锂晶体第一性原理研究

利用第一性原理研究了Mn:LiNbO3晶体的电子结构和光学性质。结果表明,Mn掺杂产生了杂质能级,主要由Mn的d态轨道贡献。杂质能级与导带之间的带隙小于理想LiNbO3晶体导带与价带之间宽度,降低了电子跃迁所需能量。同时,掺杂也降低了各原子的电子轨道能量。晶体中最高占据轨道不再是O的2p轨道,而是Mn的d 轨道。掺杂离子在晶体中同时充当电子的施主与受主。静态介电常数在掺杂后有明显的增大。Mn的掺杂使晶体在可见光区域的光学性质产生变化,并使晶体的吸收谱在可见光区域产生吸收峰。     

掺铁铌酸锂晶体第一性原理研究

利用第一性原理研究了Mn:LiNbO3晶体的电子结构和光学性质。结果表明,Mn掺杂产生了杂质能级,主要由Mn的d态轨道贡献。杂质能级与导带之间的带隙小于理想LiNbO3晶体导带与价带之间宽度,降低了电子跃迁所需能量。同时,掺杂也降低了各原子的电子轨道能量。晶体中最高占据轨道不再是O的2p轨道,而是Mn的d 轨道。掺杂离子在晶体中同时充当电子的施主与受主。静态介电常数在掺杂后有明显的增大。Mn的掺杂使晶体在可见光区域的光学性质产生变化,并使晶体的吸收谱在可见光区域产生吸收峰。     

Pb(Zr_(0.4)Ti_(0.6))O_3电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的赝势平面波方法计算了Pb(Zr0.4Ti0.6)O3五层超晶胞的顺电相和铁电相的电子结构.由态密度、电子密度和能带结构的计算结果发现顺电相下钛氧八面体Ti-O6和锆氧八面体Zr-O6在铁电相中分裂为由1个O1离子和4个O2离子组成的金字塔结构Ti-O5和Zr-O5;与顺电相相比,铁电相中钛离子的3d电子和氧离子的2p电子存在更强的轨道杂化,这种杂化降低了离子间的短程排斥力,使得具有铁电性的四方结构更为稳定,而且钛离子与氧离子的相互作用对于铁电相Pb(Zr0.4Ti0.6)O3沿c轴自发极化的贡献大于锆离子与氧离子的相互作用;由电子密度的分布可推断立方结构的Pb-O键呈现离子键特征,而铁电相下Pb-O键则有较大的共价成分,铅离子与氧离子的这种轨道杂化对Pb(Zr0.4Ti0.6)O3的铁电性起重要作用.所得结果对深入理解Pb(Zr0.4Ti0.6)O3铁电性的微观机理具有参考价值.     

立方相Na_(1/2)Bi_(1/2)TiO_3和K_(1/2)Bi_(1/2)TiO_3的电子结构和结构不稳定性的第一性原理比较研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法比较研究了Na1/2Bi1/2TiO3和K1/2Bi1/2TiO3的电子结构、离子位移势能面和Γ声子等性质.结果表明,Na1/2Bi1/2TiO3和K1/2Bi1/2TiO3的电子结构很相似,价带由O 2p电子态主导并包含部分Ti 3d和Bi 6p电子态,导带低能部分由Ti 3d空轨道构成;K取代Na后其Ti—O和Bi—O键的键强略有增加.两者的离子位移势能面也很接近,O离子的偏心位移对结构不稳定性起主导作用,且K取代Na后其作用增强.Γ声子都存在3个软模,分析表明软模主要来自O6基团的振动,K取代Na后A2u软模发生硬化.     

Mn2+、N2-共掺杂Zn2GeO4晶体电子结构和光学性质的研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法对本征Zn2GeO4,Mn2+掺杂Zn2GeO4,Mn2+/N2-共掺杂Zn2GeO4超晶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、态密度和光学性质。结果表明,Mn离子掺入后,Mn离子3d轨道与O离子2p轨道之间有强烈的轨道杂化效应,掺杂系统不稳定,而Mn/N离子共掺后,Mn离子和N离子之间的吸引作用克服了Mn离子之间的排斥作用,能够明显地提高掺杂浓度和体系的稳定性。光学性质计算结果表明,Mn离子与N离子共掺杂能改善Zn2GeO4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;吸收谱计算结果显示,Mn离子与N离子掺入后体系对低频电磁波吸收增加。     

Influences of Li Intercalation on the Electronic Structures of O2p and V3d Orbitals in α-V2O5

运用第一性原理计算了锂嵌入对α-V₂O₅中O2p和V3d轨道电子结构的影响. 计算结果表明,不同的锂嵌入位置对O2p和V3d轨道的电子结构有着不同的影响. 但锂的嵌入会减弱了V₂O₅中V=O1键,同时导致V3d导带的劈裂变窄或消失和O2p价带变宽. 最后计算出从每个Li2s轨道到V3d轨道的电子传递数为0.52.     

锂离子电池相关材料的Raman光谱学研究

锂离子电池是目前综合性能最好的可充电池。本文总结我们实验室用Raman光谱学研究锂离子电池相关材料的一些结果 ,包括聚合物电解质的微结构和离子输运机制 ,低温热解碳负极材料的结构表征和锂离子在其中的嵌入 /脱出机理 ,元素替代引起正极材料LiMn2 O4的结构变化以及在充放电过程中电极 /电解质界面形成的钝化层的性质及其对电池性能的影响     

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.     

PbWO4晶体电子结构的理论计算

采用相对论性的离散变分DV-Xα方法模拟计算了具有复杂晶体结构的PbWO₄晶体的本征能级结构,其价带顶主要由O 2p轨道组成,导带底主要由W 5d轨道构成;Pb 6s电子的绝大部分分布在距价带底～2eV处的窄带中,同时也有少量分布在价带;禁带宽度大约是4.4eV,计算结果与实验数据符合得较好. 关键词：     

多铁材料HoMnO3中光学吸收和畸变驱动的第一性原理研究

六角钙钛矿结构锰氧化物HoMnO₃磁电效应的研究近年来已成为多铁性材料研究中极其重要的一个方面. 本文基于广义梯度近似下的密度泛函理论, 考虑电子自旋的非共线磁性结构, 计算研究了 d电子在位库仑作用和自旋-轨道耦合作用对HoMnO₃的电子结构、 轨道杂化和能态密度分布的影响. 结果显示, 当考虑在位库仑排斥势U作用时, 强烈的Ho 5d与O(3, 4) 2p以及Mn 3d与O(1, 2) 2p间的轨道杂化是驱动HoMnO₃发生铁电畸变的根源, 此时能隙和能带的分布为解释实验中发现的强烈的光学吸收峰提供了理论依据, 而自旋-轨道耦合使得Mn 3d-O(3, 4) 2p在 ab平面内的轨道交迭略有增强, 平面内部分能带简并消除, HoMnO₃材料呈现典型的间接性能隙绝缘体特征. 关键词： 磁电效应 铁电畸变 态密度 光学吸收     

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.     

PbWO4电子结构的密度泛函计算

采用基于密度泛函理论的相对论性离散变分和嵌入团簇方法模拟计算了PbWO₄晶体的本征能级结构.发现价带主要由O2p轨道组成,含有部分W5d轨道;导带主要由W5d和O2p的轨道组成.发现导带底由Pb6p_1/2的狭窄能级占有.禁带宽度和价带宽度分别约为4.8和4eV.计算结果很好地解释了实验得到的反射谱,并从理论上分析了PbWO₄晶体蓝光的发光模型. 关键词： 密度泛函 电子结构 4')" href="#">PbWO₄     

同步辐射XAFS研究高比能LiMn2O4材料的局域结构

用EXAFS和XANES技术研究了高温固相反应法合成尖晶石结构的LiMn2O4中Mn原子的局域结构受到焙烧温度的影响.XANES结果表明,B1峰和B2峰强度分别与Mn3+,Mn4+的含量高低相关,焙烧温度愈高,B1峰的强度愈大.EXAFS给出的结构参数结果进一步表明,LiMn2O4(673K)的Mn-O第一配位和MnMn第二配位的无序度σ1(0.0059nm)和σ2(0.0092nm)分别小于及大于LiMn2O4(973K)的σ1(0.0066nm)和σ2(0.0081nm),LiMn2O4(1073K) 关键词： XAFS 局域结构 尖晶石LiMn2O4     

PbWO4电子结构的密度泛函计算

采用基于密度泛函理论的相对论性离散变分和嵌入团簇方法模拟计算了PbWO4 晶体的本征能级结构 .发现价带主要由O2p轨道组成 ,含有部分W 5d轨道 ;导带主要由W 5d和O2 p的轨道组成 .发现导带底由Pb6 p1/ 2 的狭窄能级占有 .禁带宽度和价带宽度分别约为 4.8和 4eV .计算结果很好地解释了实验得到的反射谱 ,并从理论上分析了PbWO4 晶体蓝光的发光模型     

MnFe2O4晶体的基态能级和零场分裂参量

由不可约张量理论构成一个3d4/3d6离子三角(C3V)对称的晶体场和自旋-轨道相互作用哈密顿矩阵,由这个晶体场和自旋-轨道相互作用哈密顿矩阵被完全对角化后能够求出MnFe2O4晶体中的Fe2+离子的电子顺磁共振零场分裂参量D和F-a,计算了低自旋态(3L态)对电子顺磁共振零场分裂参量(D,F-a)的贡献.结果显示低自旋3L态对电子顺磁共振的零场分裂参量的贡献是较强的.理论计算的结果与实验值是相符的.