Co对单层MoS_2电子结构与磁性的影响

为了研究Co对单层MoS_2电子结构和磁性的影响,本文基于第一性原理,采用数值基组的方法计算了Co吸附式掺杂、Co替代式掺杂单层MoS_2的能带结构、态密度以及分析了其结构的稳定性.结果发现:Co替换式掺杂体系的形成能较低,实验上容易实现;Co在Mo位吸附的稳定性强于在S位吸附;Mo位吸附体系的总磁矩为0.999μB,其磁矩的主要来源于Co原子的吸附所贡献的0.984μB,Co原子的掺杂体系总磁矩为1.029μB,其磁矩的主要由Co原子替代掉一个Mo原子所贡献的磁矩为0.9444μB,相比于吸附体系,Co原子对磁矩的贡献率有所降低;无论是Co吸附在单层MoS_2表面还是Co直接替代掉Mo原子的掺杂体系,Co原子3d轨道的引入是引起单层MoS_2体系磁性的主要原因.     

过渡金属Cu、Cr掺杂TiO2表面氧化性气体NO2光学气敏传感特性

采用密度泛函理论（DFT）体系广义梯度近似（GGA）第一性原理平面波超软赝势方法,分析锐钛矿型TiO₂（101）表面吸附NO₂分子光学气敏传感的微观机理.结果表明：Cu和Cr原子易于掺入TiO₂（101）表面,掺杂表面能稳定地吸附NO₂分子且吸附后光学性质发生显著变化.表面吸附NO₂分子后,Cu掺杂TiO₂（101）表面对分子的吸附能最大,吸附后结构更稳定,分子与表面的距离最短.通过分析差分电荷密度和电荷布居数发现,NO₂分子与基底表面间发生电荷转移,转移电子数目：Cu掺杂表面 > Cr掺杂表面 > 无掺杂表面.对比吸收光谱和反射光谱发现,在Cu掺杂表面吸附分子后,光学性质变化最明显,说明表面与吸附分子间氧化还原能力是决定光学气敏传感性能的核心因素.在过渡金属中,Cu与Cr都有4s价电子结构,其4s电子降低了材料表面氧空位的氧化性,增加了其还原性.对于氧化性气体,可以提升表面与分子的氧化还原作用,而Cu的4s电子更加活泼,从而光学气敏传感特性更加明显.因此,Cu掺杂的TiO₂对氧化性气体是一种较好的光学气敏传感材料.     

Na、 Be、 Mg掺杂单层MoS_2的第一性原理研究

本文基于第一性原理研究了Na、 Be、 Mg掺杂单层MoS_2的稳定性、能带结构、态密度以及电荷分布.得到Be掺杂单层MoS_2体系在实验上较容易实现,在三者掺杂体系中稳定性最强.与此同时,掺杂体系的带隙值都降低,有利于电子的跃迁,增强了导电性能;掺杂原子打破了原体系的平衡关系,导致周边S原子p轨道上的多余的电子会与近邻Mo原子d轨道上的电子产生相互作用;平衡的打破,也导致了杂质原子周围存在着电荷聚集和损失的现象.     

金红石相TiO_2(110)面对NH_3吸附的微观机制和光学气敏特性研究

研究光学气敏材料吸附气体后的光学气敏特性是气敏传感研究的热点问题。研究了金红石相TiO2(110)面吸附NH3的微观机制和光学气敏特性。结果表明,NH3分子容易被含氧空位缺陷的金红石相TiO2(110)面所吸附,且提高表面氧空位的比例,有利于NH3稳定吸附。表面吸附NH3分子以负电荷中心向下为主,当氧空位比例为33%时,吸附能为1.7313eV。表面吸附NH3为化学吸附,NH3的H原子被还原而N原子被氧化。含氧空位的表面吸附NH3在可见光1.5~3.1eV范围内,表面氧空位比例越大,其对可见光吸收和反射能力越强,光学气敏性越灵敏。     

金原子掺杂的碳纳米管吸附CO气体的密度泛函理论研究

鉴于碳纳米管复合材料具有较强气敏性,该性质对于指导剧毒气体探测器的研发具有重要意义,因此,本文采用密度泛函方法对CO气体在本征、金原子掺杂(8,0)单壁碳纳米管的吸附行为进行研究. 通过对吸附体系的几何、电子结构研究表明,CO分子在金原子掺杂的碳纳米管外壁的金原子位置处的吸附能力远大于CO在本征碳纳米管处的吸附,此外,还计算了两种典型位置的电子密度、态密度,进一步支持了掺金碳纳米管对CO气体具有超强的敏感性,因此,金原子掺杂的碳纳米管有望成为探测CO气体的新一代气敏元件. 关键词： 碳纳米管 CO 金原子 掺杂     

Li掺杂8-羟基喹啉铝的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论研究了Li原子掺杂8-羟基喹啉铝(Alq₃)分子的几何构型、 前线分子轨道及电子转移特性. 研究结果表明, Li原子掺杂Alq₃后, Li原子与Alq₃的O, N原子键合, 形成电子转移复合物. Li原子将部分电子转移到Alq₃的吡啶环上, 在Alq₃的带隙内形成施主能级, 这种n型掺杂结构有效地提高了电子的传输效率; 但过多的Li原子的掺杂会使Alq₃分解, 从而减弱其电子传输能力. 为使Alq₃的电子传输能力达到最高, Li原子的掺杂应保持在2:1左右的比例.     

光学气敏材料金红石相二氧化钛(110)面吸附CO分子的微观特性机理研究

利用光学气敏材料吸附气体,引起材料光学性质的变化来测量气体成分,是当前气敏传感研究领域的一个热点方向.本文针对光学气敏材料金红石相TiO2(110)表面吸附CO分子的微观特性进行研究,采用基于密度泛函理论(DFT)体系下的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了表面的吸附能、电子态密度、光学性质和电荷密度的变化.结果表明:终止于二配位O原子的TiO2(110)面为最稳定表面,该表面吸附CO分子以C端吸附方式最为稳定,且氧空位浓度越高,越有助于对CO分子的吸附,吸附过程为放热.在氧空位浓度为33%时,吸附能达到1.319 eV,吸附后结构趋于更加稳定.表面吸附CO分子后,其实质是表面的氧空位氧化了CO分子,CO分子的电荷向材料表面转移.含有氧空位的表面吸附CO分子后都改善了其在可见光范围内的光学性质,但是氧空位浓度越高,改善其光吸收和反射能力越明显,光学气敏传感特性表现越显著.     

掺杂对金属-MoS_2界面性质调制的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,计算了卤族元素掺杂对金属-MoS_2界面性质的影响,包括缺陷形成能、电子能带结构、差分电荷密度以及电荷布居分布.计算结果表明:卤族元素原子倾向于占据单层MoS_2表面的S原子位置;对于单层MoS_2而言,卤族元素的掺杂将在禁带中引入杂质能级以及导致费米能级位置的移动.对于金属-MoS_2界面体系,结合Schottky-Mott模型,证明了卤族元素的掺杂可以有效地调制金属-MoS_2界面间的肖特基势垒高度.发现F和Cl原子的掺杂将会降低体系的肖特基势垒高度.相比之下,Br和I原子的掺杂却增大了体系的肖特基势垒高度.通过差分电荷密度和布居分布的分析,阐明了肖特基势垒高度的被调制是因为电荷转移形成的界面偶极矩的作用导致.研究结果解释了相关实验现象,并给二维材料的器件化应用提供了调节手段.     

N2H4在NiFe(111)合金表面吸附稳定性和电子结构的第一性原理研究

采用基于色散校正的密度泛函理论进行了第一性原理研究, 详细分析了肼(N₂H₄)在Ni₈Fe₈/Ni(111)合金表面稳定吸附构型的吸附稳定性和电子结构及成键性质. 通过比较发现, 肼分子以桥接方式吸附在表面的两个Fe原子上是最稳定的吸附构型, 其吸附能为-1.578 eV/N₂H₄. 同时发现, 肼分子在这一表面上吸附稳定性的趋势为: 桥位比顶位吸附更有利, 且在Fe原子上比在Ni原子上的吸附作用更强. 进一步分析了不同吸附位点上稳定吸附构型的电子结构、电荷密度转移以及电子局域化情况. 结果发现: 相同吸附位点的电子态密度图基本一致, 并且N原子的p轨道和与之相互作用的表面原子的d轨道之间存在态密度上的重叠; 吸附后电荷密度则主要从肼分子转移到表面原子之上; 在电子局域化函数切面图中也发现吸附后电子被局域到肼分子的N原子和相邻的表面原子之间. 这些电子结构的表征都充分说明肼分子与表面原子之间通过电荷转移形成了强烈的配位共价作用.     

N掺杂对α-石墨炔表面吸附H_2O,H,O和OH的电子性质和磁性的影响

石墨炔是一种新型的二维(2D)碳的同素异形体,炔键单元的高活性使其在小分子吸附方面相比石墨烯更具优势.本文基于密度泛函理论(DFT),研究了H_2O和H、O及OH分别在原始的和掺杂了N原子的α-石墨炔上的相互作用.研究结果表明,N掺杂和小分子吸附能够改变α-石墨炔的电子结构和磁性. N原子掺杂后α-石墨炔对小分子的吸附能力明显增强. H、O原子和OH吸附在N原子掺杂体系前后表现出明显的磁性差异:H原子和OH吸附在纯净的α-石墨炔上体系显示磁性,N原子掺杂后,磁性消失;而O原子则是吸附在纯净的α-石墨炔上未表现出磁性,N原子掺杂后,体系出现磁性.此外,α-石墨炔对水分子的吸附作用较弱,受范德瓦耳斯作用影响较大,属于物理吸附.本研究将为α-石墨炔中N杂质检测以及α-石墨炔基气体传感器的设计研究提供新的思路.     

气体分子在Co-BN表面吸附的第一性原理研究

采用包含色散力校正的密度泛函理论(DFT-D)方法系统地研究了气体分子(O2, H2, NO, CO, CO2, SO2, H2S, H2O)在Co掺杂单层BN(Co-BN)表面的吸附, 分析了吸附小分子的几何结构, 吸附能, 电荷转移等情况. 结果表明: 1) CO等气体分子主要吸附在Co及其近邻六元环的顶位, 吸附结构的电荷转移表明掺杂原子Co对BN衬底的气敏特性有较好的调制作用; 2) 在Co-BN表面吸附的O2和CO较易被活化, 表明Co-BN可能是一种对CO氧化有较好催化活性的新型催化材料.     

过渡金属原子掺杂对单层MoS_2磁性的影响

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法分别计算了本征及过渡金属掺杂单层MoS_2的晶格参数、电子结构和磁性性质.计算结果显示,过渡金属掺杂所引起的晶格畸变与杂质原子的共价半径有联系,但并不完全取决于共价半径的大小.分析电子结构可以看到,VIIB、VIII和IB族杂质中除Ag和Re外的掺杂体系都对外显示磁性,磁矩主要集中在掺杂的过渡金属原子上.掺杂体系的禁带区域都出现了数目不等的杂质能级,这些杂质能级主要由杂质的d、S的3p和Mo的4d轨道组成.     

提高单层GeSe对H2O气体传感性能的第一性原理研究

采用第一性原理计算方法,通过在单层GeSe上施加双轴向应变、外加电场、掺Ag等途径来探索提高单层GeSe对H₂O分子传感性能的有效方法,并从微观角度阐明内在机理.计算结果表明,-1.0 V/?的外加电场能有效降低H₂O分子在单层GeSe的吸附能并使二者之间的电荷转移量增加11倍,显著提高了单层GeSe对H₂O分子的响应速度和敏感性.研究结果为进一步设计并制成二维GeSe基湿度传感器提供了理论依据.     

单层MoS_2表面吸附Ag_6团簇电子结构的第一性原理计算

本文运用第一性原理研究了单层MoS_2在S位吸附Ag_6团簇的稳定性、能带结构和态密度.结果表明,Ag_6团簇在S位单点位吸附的稳定性强于双点位吸附、三点位吸附;其中吸附体系禁带中产生了2条杂质能级,原因在于Ag原子与S形成共价键下的施主能级与受主能级;Ag_6团簇在单层MoS_2的吸附导致态密度峰值在费米能级处发生劈裂,说明Ag_6团簇的吸附会增强单层MoS_2的光电特性;单层MoS_2的能带结构可以通过表面吸附Ag_6团簇以及金属团簇进行调控;在实际的生产应用中依据不同的金属团簇吸附于单层MoS_2表面得到需要的的半导体器件.     

过渡金属Pd掺杂AsP结构及其吸附甲醛和一氧化碳的性能研究

基于第一性原理方法,研究了单层本征磷砷AsP和过渡金属钯（Pd）掺杂磷砷AsP的结构,并对比研究了本征和掺杂后的AsP吸附甲醛（HCHO）和一氧化碳（CO）气体分子的稳定性、能带结构、态密度以及电荷差分密度。研究结果表明：经Pd掺杂后AsP由半导体转变为导体;本征AsP吸附一氧化碳最稳定的位置为P-As键顶上,吸附甲醛最稳定的位置为P原子顶上;本征吸附时气体分子与基底之间的距离在3 Å左右,气体分子与基底之间未形成化学键。过渡金属Pd原子掺杂AsP后形成两种结构,分别为Pd原子替换超胞结构中的As原子或P原子。两种掺杂结构分别吸附一氧化碳或甲醛气体分子时,除了Pd原子替换AsP中的As原子形成的结构吸附甲醛的吸附能未明显增加外,其余掺杂结构吸附一氧化碳或甲醛的吸附能和电荷转移较本征吸附时均显著增强,吸附CO分子时,C原子与Pd原子之间形成了化学键。特别是,Pd原子替换AsP中的P原子形成的结构对一氧化碳和甲醛气体分子的吸附性能明显强于Pd原子替换AsP中的As原子所形成的结构。     

基于第一性原理计算H_2S、CO_2、CH_4在Fe-MoS_2上的吸附性能

在高含硫气藏开发中,伴随着CH_4的采出,H_2S和CO_2也不可避免的被采出.这两种气体会产生管道腐蚀和气体中毒等诸多不利影响.为了解决这一现实需要,从研究较为广泛的MoS_2材料入手,考虑了其掺杂结构中的吸附性能的变化,相关计算原理基于密度泛函数理论.主要计算了一种吸附式掺杂过渡金属原子Fe在MoS_2上的结构,同时也计算了H_2S,CO_2,CH_4气体在其表面的吸附能,电荷转移,电子密度差等相关参数.结果表明,CH_4对这种材料表现出不敏感的特性,而CO_2、H_2S均表现出吸附的性质,预测这种材料可能作为一种可使用的吸附材料,或是开发作为一种新型的气体预警材料.     

剪切形变下掺杂及缺陷对MoS2电子结构的影响

本文利用密度泛函理论,研究剪切形变下掺杂改性及不同类型缺陷对MoS2电子结构的影响。发现：剪切形变下,MoS2+P体系为相对最稳定的结构,掺杂改性相较于缺陷对模型稳定性影响更小;模型MoS2+P+Se中P-Mo键易形成共价键,而其中的Se-Mo键和MoS2+P-Mo-S模型中的P-Mo键,易形成离子键;掺杂使MoS2模型能隙变大,而缺陷使能隙减小,且S和Mo原子共缺陷的模型带隙为0;缺陷相较于掺杂改性模型,更能使Mo原子周围增加电荷聚集度,带隙值更低,更能影响或调控模型的电子结构。     

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.     

Structural,electronic,and magnetic properties of vanadium atom-adsorbed MoSe_2 monolayer

Using the first-principles calculations, we study the structural, electronic, and magnetic properties of vanadium adsorbed MoSe_2 monolayer, and the magnetic couplings between the V adatoms at different adsorption concentrations. The calculations show that the V atom is chemically adsorbed on the MoSe_2 monolayer and prefers the location on the top of an Mo atom surrounded by three nearest-neighbor Se atoms. The interatomic electron transfer from the V to the nearestneighbor Se results in the polarized covalent bond with weak covalency, associated with the hybridizations of V with Se and Mo. The V adatom induces local impurity states in the middle of the band gap of pristine MoSe_2, and the peak of density of states right below the Fermi energy is associated with the V- dz~2 orbital. A single V adatom induces a magnetic moment of 5 μBthat mainly distributes on the V-3d and Mo-4d orbitals. The V adatom is in high-spin state, and its local magnetic moment is associated with the mid-gap impurity states that are mainly from the V-3d orbitals. In addition,the crystal field squashes a part of the V-4s electrons into the V-3d orbitals, which enhances the local magnetic moment.The magnetic ground states at different adsorption concentrations are calculated by generalized gradient approximations(GGA) and GGA+U with enhanced electron localization. In addition, the exchange integrals between the nearest-neighbor V adatoms at different adsorption concentrations are calculated by fitting the first-principle total energies of ferromagnetic(FM) and antiferromagnetic(AFM) states to the Heisenberg model. The calculations with GGA show that there is a transition from ferromagnetic to antiferromagnetic ground state with increasing the distance between the V adatoms. We propose an exchange mechanism based on the on-site exchange on Mo and the hybridization between Mo and V, to explain the strong ferromagnetic coupling at a short distance between the V adatoms. However, the ferromagnetic exchange mechanism is sensitive to both the increased inter-adatom distance at low concentration and the enhanced electron localization by GGA+U, which leads to antiferromagnetic ground state, where the antiferromagnetic superexchange is dominant.