锐钛矿型TiO2(101)面本征点缺陷的理论研究

采用平面波超软赝势方法计算了锐钛矿型TiO2(101)面存在本征空位和间隙点缺陷的几何结构以及缺陷形成能.首先分析了点缺陷对表面结构的影响,发现不同类型缺陷导致缺陷周围原子有不同的位移趋势:O空位的产生导致空位周围的Ti原子向空位外移动,Ti1.和Ti2空位的产生均使OI自发地与周围的O原子团聚,OI原子易被周围的氧原子吸附而成键,而Ti2缺陷几乎对晶格结构没有产生影响.对TiO2(101)面上可能出现的几种点缺陷的形成能进行了计算,结果表明:在还原性气氛下,虽然Tii2和VOI缺陷均容易出现,但Tii2缺陷的形成能比VOI缺陷更低;而在氧化性气氛下,表面的OI和VTil缺陷较容易出现.最后,为了比较各种缺陷结构的稳定性,还计算了几种典型表面缺陷的形成焓.     

碳化硅中点缺陷对热传导性能影响的分子动力学研究

碳化硅(SiC)由于性能优异,已广泛应用于核技术领域.在辐照环境下,载能入射粒子可使材料中的原子偏离晶体格点位置,进而产生过饱和的空位、间隙原子、错位原子等点缺陷,这些缺陷将改变材料的热物性能,劣化材料的服役性能.因此,本文利用平衡分子动力学方法(Green-Kubo方法)采用Tersoff型势函数研究了点缺陷对立方碳化硅(β-SiC或3C-SiC)热传导性能的影响规律.研究过程中考虑的点缺陷包括:Si间隙原子(Si_Ⅰ)、Si空位(Si_Ⅴ)、Si错位原子(Si_C)、C间隙原子(C_Ⅰ)、C空位(C_Ⅴ)和C错位原子(C_Si).研究结果表明,热导率(λ)随点缺陷浓度(c)的增加而减小.在研究的点缺陷浓度范围(点缺陷与格点的比例范围为0.2%—1.6%),额外热阻率(Δ_R-R_defect-R_perfect,R=1/λ,R_defect为含缺陷材料的热阻率,R_perfec...     

Magnéli相亚氧化钛Ti8O15的电子结构和光学性能的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势法研究了Magnéli相亚氧化钛Ti₈O₁₅的电子结构和光学性能. 计算出的能带结构显示Ti₈O₁₅相比锐钛型TiO₂禁带宽度大幅度降低. 态密度分析表明, 其原因在于Ti₈O₁₅的O原子的2p轨道以及Ti原子的3p, 3d轨道相对于TiO₂的相应轨道向左产生了偏移, 同时由于O原子的缺失使得Ti原子的3d, 3p轨道多余电子在Fermi能级附近聚集形成新的电子能级. 态密度分析结果还显示, 相对于TiO₂, Ti₈O₁₅ Fermi能级附近电子格局发生了如下变化: O原子的2p轨道电子贡献减少, Ti原子的3d轨道的电子对Fermi能级贡献增大. 光吸收计算图谱表明, TiO₂仅在紫外光区有较高的光吸收能力, 而Ti₈O₁₅由于禁带宽度变窄引起光吸收范围红移到可见光区, 从而在紫外光区和可见光区都有较高的光吸收能力, 计算结果与实验得到的紫外-可见漫反射吸收光谱结果一致. 关键词： 第一性原理 8O₁₅')" href="#">Magnéli相亚氧化钛Ti₈O₁₅ 电子结构 光学性能     

汞在Ti2NO2 MXene表面吸附氧化的第一性原理计算

汞是一种有毒的重金属，在生产生活中以各种形式排放的汞对生态及人类健康都存在一定程度的威胁.因此，寻找高效的汞吸附剂具有十分重要的意义.本文基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，研究了汞在Ti₂NO₂(MXene)和具有一个氧空位缺陷的Ti₂NO₂(Ov-Ti₂NO₂)上的吸附和氧化机理.计算结果表明Hg⁰在Ti₂NO₂表面的吸附为物理吸附，在Ov-Ti₂NO₂表面为化学吸附. Ti₂NO₂表面氧空位的存在可以改善HgO与Ov-Ti₂NO₂之间的相互作用，从而使吸附能提高116 kJ/mol. Hg⁰在Ov-Ti₂NO₂表面氧化为HgO的反应能垒为92.55 kJ/mol,小于其在Ti_2<...     

高压下BaF2光学性质的模拟计算

探寻新的冲击窗口材料是高压科学领域中的一个重要课题.为此,在100 GPa范围内,通过第一性原理方法计算了BaF₂晶体的吸收谱以及在532 nm处的折射率.结果表明:1)压力和结构相变因素不会引起BaF₂晶体在可见光区域出现光吸收;氟和钡空位点缺陷的存在将使得BaF₂吸收谱的吸收边红移,但这些红移行为不会导致该材料在可见光区域内出现光吸收的现象,由此可以初步推测,BaF₂晶体有成为冲击窗口材料的可能. 2) BaF₂的折射率在其三个结构相区都随压力的增大而增大,并且BaF₂的高压相变也使得其折射率升高;钡空位点缺陷的存在将导致其折射率减小,而氟空位点缺陷却引起其折射率增加.     

Ni与钇稳定的氧化锆(111)表面相互作用以及界面活性的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 系统研究了Ni原子在钇稳定的氧化锆(YSZ)(111)和富氧的YSZ(YSZ+O)(111)表面不同位置的吸附, 以及CO和O₂分子在Ni₁(单个镍原子)/YSZ和Ni₁/YSZ+O表面吸附的几何与电子结构特征. 结果表明: 1) 单个Ni原子倾向于吸附在O原子周围, 几乎不吸附在Y原子周围, 且Ni原子在氧空位上吸附最稳定; 2)和YSZ相比, 单个Ni原子在YSZ+O表面易发生氧化现象, Ni原子失去1.06 e电子, 被氧化成了Ni⁺, 吸附能力更强; 3)被氧化的Ni催化活性大幅下降, 大大减弱了表面对O₂和CO等燃料气体的吸附作用.     

温度对ZnO/Al2O3(0001)界面的吸附、扩散及生长初期模式的影响

构建了一个ZnO沉积在α-Al₂O₃(0001)表面生长初期的模型，采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势法进行了动力学模拟.发现在400，600和800℃的条件下界面原子有不同的扩散能力，因此温度对ZnO/α-Al₂O₃(0001)表面界面结构以及ZnO薄膜生长初期模式有决定性的影响.在整个ZnO吸附生长过程中，O原子的扩散系数大于Zn原子的扩散系数，O原子的层间扩散对薄膜的均匀生长起着重要作用.进一步从理论计算上证实了ZnO在蓝宝石(0001)上两种生长模式的存在，400℃左右生长模式主要是Zn螺旋扭曲生长，具有Zn六角平面对称特征，且有利于Zn原子位于最外表面.600℃左右呈现为比较规则的层状生长，且有利于O原子位于最外表面.模拟观察到在ZnO薄膜临近Al₂O₃基片表面处，Zn的空位缺陷明显多于O的空位缺陷. 关键词： 扩散 薄膜生长 2O₃(0001)')" href="#">α-Al₂O₃(0001) ZnO     

Magnli相亚氧化钛Ti8O15的电子结构和光学性能的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势法研究了Magneli相亚氧化钛Ti8O15的电子结构和光学性能.计算出的能带结构显示Ti₈O₁₅相比锐钛型TiO₂禁带宽度大幅度降低.态密度分析表明,其原因在于Ti₈O₁₅的O原子的2p轨道以及Ti原子的3p,3d轨道相对于TiO₂的相应轨道向左产生了偏移,同时由于O原子的缺失使得Ti原子的3d,3p轨道多余电子在Fermi能级附近聚集形成新的电子能级.态密度分析结果还显示,相对于TiO₂,Ti₈O₁₅Fermi能级附近电子格局发生了如下变化:O原子的2p轨道电子贡献减少,Ti原子的3d轨道的电子对Fermi能级贡献增大.光吸收计算图谱表明,TiO₂仅在紫外光区有较高的光吸收能力,而Ti₈O₁₅由于禁带宽度变窄引起光吸收范围红移到可见光区,从而在紫外光区和可见光区都有较高的光吸收能力,计算结果与实验得到的紫外-可见漫反射吸收光谱结果一致.     

Zn吸附到含有氧空位(VO)以及羟基(-OH)的锐钛矿相TiO2(101)表面电子结构的第一性原理计算

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法, 计算了Zn吸附到TiO₂(101)清洁表面、含有氧空位(V_O)的缺陷表面以及既含有氧空位(V_O)又含有羟基(-OH)表面的能量、Mulliken重叠布居数以及电子结构, 并找到了Zn在每种表面的最稳定结构(分别为模型(c), 模型(aI)以及模型(aII)). 通过对三种表面稳定结构的分析、对比发现: 首先, Zn原子吸附到清洁TiO₂(101)表面上, 主要与表面氧相互作用, 形成Zn–O共价键; 其次, 当Zn原子吸附到缺陷表面时, 吸附能减小到-1.75 eV, 说明Zn更容易吸附到氧空位上(模型(aI)); 最后, 纵观表面模型的能带结构以及态密度图发现, -OH的引入并没有引进新的杂质能级, Zn吸附此表面, 即Zn-TiO₂-V_O-OH, 使得禁带宽度缩短到最小(1.85 eV), 从而有望提高TiO₂的光催化活性. 关键词： 密度泛函理论 氧空位 羟基 Zn原子     

Ni-X-In(X=Mn,Fe和Co)合金的缺陷稳定性和磁性能的第一性原理研究

Ni-Mn-In是一种新型的磁控形状记忆合金, 它通过磁场诱导逆马氏体相变实现形状记忆效应. 实验中常围绕化学计量比Ni₂MnIn合金进行成分调整, 以获得适宜的马氏体相变温度与居里温度, 在这个过程中必然会产生多种点缺陷. 本文使用量子力学计算软件包VASP, 在密度泛函理论的框架下通过第一原理计算, 系统地研究了非化学计量比Ni-X-In(X=Mn, Fe 和Co)合金的缺陷形成能和磁性能. 反位缺陷中, In和Ni在X亚晶格的反位缺陷(In_X和Ni_X)的形成能最低, Ni和X反位于Y的亚晶格(Ni_Y和X_Y)得到较高的形成能. 因此, In原子可以稳定立方母相的结构, 而X原子对母相结构稳定性的影响则相反; 空位缺陷中最高的形成能出现在In空位缺陷, 再次肯定了In原子对稳定母相结构的作用. 此外, 详细研究了点缺陷周围原子的磁性能以及电荷分布. 本文的计算结果在指导实验中的成分设计和开发新型磁控形状记忆合金方面具有重要意义.     

Electronic structures and optical properties of rutile TiO2 with different point defects from DFT + U calculations

The electronic states and formation energies of four types of lattice point defects in rutile TiO₂ are studied using the first-principles calculations. The existence of oxygen vacancy leads to a deep donor defect level in the forbidden band, while the Ti interstitial forms two local states. It is predicted that oxygen vacancy prefers to combine with Ti-interstitial to form V_O–Ti_i dimer by a partial 3d electron transfer from the Ti_i to its neighboring V_O. The charge distribution between a Ti interstitial and its neighboring Ti ions partially shields the Coulomb interactions. Lastly, optical properties of these defective lattices are discussed.     

四方相BaTiO3缺陷性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了BaTiO₃在四方相下的各种缺陷性质.计算结果表明,在富氧环境下,钛的中性氧空位、分肖特基缺陷2V^3-_Ti+3V²⁺_O形成能分别为最低;而当体系处在还原环境下时,氧空位逐渐成为主要缺陷,其形成能最低.由于四方相下存在较强的Ti—O键共价杂化,四方相下全肖特基缺陷V^2-_Ba关键词： 缺陷 第一性原理 3')" href="#">BaTiO₃     

Effects of native defects on the electronic structure and photocatalytic activity in anatase TiO2 by first principles calculations

The crystal structure, electronic structure, optical properties and photocatalytic activity of the native defects in anatase TiO₂ were investigated based on the density-functional theory (DFT). The results show that oxygen vacancies (V_O) have the lowest formation energy, and thus are easiest to form in the bulk structure. The conduction and valence band moves to the high or low energy region, and the energy gap becomes narrower for the native point defect models. In particular, oxygen interstitials (O_i) have a direct band gap, and new gap states appear in the band gap, which can be responsible for the high photocatalytic efficiency in anatase TiO₂. The phenomenon of “impurity compensation” takes place for the oxygen and titanium interstitials. Ti vacancy (V_Ti) can promote the utilization of solar light by analyzing the absorption spectra. All the calculated results show that O_i and V_Ti are beneficial in improving the photocatalytic activity of TiO₂ in the UV–visible light range.     

Native defects and Pr impurities in orthorhombic CaTiO3 by first-principles calculations

Formation energies of native defects and Pr impurities in orthorhombic CaTiO₃ are explored using the first-principles calculations. The Ca vacancy (V_Ca), Ti vacancy (V_Ti) and Ca antisite (Ca_Ti) are found to be energetically preferable. The Ti antisite (Ti_Ca) and O vacancy (V_O) are not energetically favorable in the wide range of Fermi level. In Pr-doped CaTiO₃, Pr substituting for Ca (Pr_Ca) is likely to form under condition A in which CaTiO₃ is in equilibrium with CaO and O₂. Under condition B (TiO₂, CaTiO₃ and O₂ are in equilibrium), Pr_Ti defect is energetically preferable depending on the Fermi levels. Several native defects and the two sites of Pr impurities in CaTiO₃ are coincided with several different defects in Pr-doped CaTiO₃ reported in the literature. Based on the present calculations, we can elucidate that the Ca deficiency design of the traditional formula Ca_1−xV_Ca(x/2)Pr_xTiO₃ is not the best for efficient red photoluminescence, which is realized via the experimental measurements.     

p型K:ZnO导电机理的第一性原理研究

基于密度泛函理论,利用局域密度近似的第一性原理平面波赝势方法,对掺K以及含有氢填隙(H_i)、氧空位(V_O)、锌填隙(Zn_i)和锌空位(V_Zn)的K:ZnO电子结构分别进行了研究.结果表明,1) 单独掺K可引入浅受主,但系统总能增高;2) K与H共掺可降低系统总能,提升稳定性;3) V_O在K+H:ZnO中的形成比Zn_i困难得多,二者都是 关键词： 氧化锌 p型 第一性原理 电子结构     

金红石相和锐钛矿相TiO2本征缺陷的第一性原理计算

采用第一性原理的计算方法, 分别研究了金红石相和锐钛矿相TiO₂各种缺陷态形成的类型, 以及几何结构、生长气氛和Fermi能级位置对缺陷形成能的影响, 从理论上预测产生点缺陷的实验条件. 重点是讨论带电点缺陷的形成能, 并对结果进行适当修正. 研究发现, 本征缺陷的类型和浓度对 TiO₂的性能有一定的影响: 在富O条件下, TiO₂容易形成V_Ti(Ti空位)缺陷; 在富Ti条件下, TiO₂的Ti_i⁴⁺和V_O(O空位)缺陷将大量出现, 形成Schottky缺陷.     

Formation energies and electronic structures of native point defects in potassium dihydrogen phosphate

The formation energies and the equilibrium concentration of vacancies,interstitial H,K,P,O and antisite structural defects with P and K in KH 2 PO 4 (KDP) crystals are investigated by ab initio total-energy calculations.The formation energy of interstitial H is calculated to be about 2.06 eV and we suggest that it may be the dominant defect in KDP crystal.The formation energy of an O vacancy (5.25 eV) is much higher than that of interstitial O (0.60 eV).Optical absorption centres can be induced by defects of O vacancies,interstitial O and interstitial H.We suggest that these defects may be responsible for the lowering of the damage threshold of the KDP.A K vacancy defect may increase the ionic conductivity and therefore the laser-induced damage threshold decreases.     

氮氢混合气氛退火中氢对Bi4Ti3O12铁电性能的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理研究了在氮氢混合气氛中退火后Bi₄Ti₃O₁₂铁电性的退化机理. 分别计算了无氢、含氢模型中Ti沿c轴位移时体系总能量的变化,电子云密度分布,以及电子结构的总能态密度的变化. 结果表明含氢Bi₄Ti₃O₁₂铁电相Ti-O,Bi-O间的电子云重叠布居分布较无氢情况下变化明显,氢氧之间较强的轨道杂化使它们趋于形成共价键;晶格中氢氧键的 关键词： 氮氢混合气氛退火 铁电性 4Ti₃O₁₂')" href="#">Bi₄Ti₃O₁₂ 第一性原理     

Interplay of native defect-related photoluminescence response of ZnO nanosticks subjected to 80 keV Ar ion irradiation

We report on the effect of 80 keV Ar⁺ ion irradiation on the luminescence response of zinc oxide (ZnO) nanosticks synthesized using a simple microemulsion route. The formation of nanoscale rods was confirmed from the transmission electron microscopy, whereas the hexagonal wurtzite phase of the nanorods was detected in an X-ray diffraction pattern. The photoluminescence pattern of the nanorods was dominated by various native defect states of ZnO, which are responsible for the quenching of the typical band edge emission of ZnO. Under Ar⁺ ion irradiation at a fluence of 1×10¹³ ions/cm², the band edge emission was recovered owing to the suppression of oxygen vacancy defects. In addition, the formation of new zinc vacancy and ionized zinc interstitial defects were also evident. Conversely, the band edge emission was found to be quenched as a result of the creation of more oxygen vacancy (V_O) defects due to ion irradiation (fluence: 1×10¹⁵ ions/cm²). The nuclear energy loss of the Ar⁺ ions in ZnO is responsible for the formation of point (vacancy-related) defects, while relatively small amount of electronic energy loss of the Ar⁺ ion results in the ionization of the neutral zinc interstitial (Zn_i) defects. The energy deposition scheme of the energetic ions has been elaborated with the help of theoretical modeling that explains the observed features quite satisfactorily.