TiO2分子在GaN(0001)表面吸附的理论研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势法,计算了TiO₂分子在GaN(0001)表面的吸附成键过程、吸附能量和吸附位置. 计算结果表明不同初始位置的TiO₂分子吸附后,Ti在fcc或hcp位置,两个O原子分别与表面两个Ga原子成键,Ga-O化学键表现出共价键特征,化学结合能达到7.932-7.943eV,O-O连线与GaN[1120]方向平行,与实验观测(100)[001] TiO₂//(0001)[1120]GaN一致. 通过动力学过程计算分析,TiO₂分子吸附过程经历了物理吸附、化学吸附与稳定态形成的过程,稳定吸附结构和优化结果一致. 关键词： GaN(0001)表面 2分子')" href="#">TiO₂分子 密度泛函理论 吸附     

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     

金红石型TiO2(110)表面性质及STM形貌模拟

采用密度泛函理论从头计算了金红石型TiO₂(110)表面的相关性质,切片模型含有9层原子,采用化学整比表面结构,晶胞真空层厚度为1.5nm,原子价电子采用超软赝势表达.差分电子密度分布图发现原子附近区域电子密度分布以球对称为主,电子定域形成离子键的趋势较强,但在Ti和O原子之间存在较弱的共价键.模拟了金红石型TiO₂(110)表面结构的扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope,简称STM)图像,利用Tersoff-Hamann的成像理论,在+2V的正向偏压下,采用一系列变化的数值作为STM探针离表面桥式氧的距离,分析了相关态密度的变化,发现(110)表面的STM形貌凸起部分来自于5—Ti原子,而不是2—O原子(桥式氧),在TiO₂(110)表面结构成像中,电子效应起主导作用,证实了STM实验观察到的亮行是Ti原子的结果. 关键词： 功能材料 密态泛函理论 表面结构 STM像     

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O₁自发地与周围的O原子团聚,O_i原子易被周围的氧原子吸附而成键,而Ti_i2缺陷几乎 关键词： 第一性原理 2')" href="#">TiO₂ 点缺陷 表面结构     

N/Fe共掺杂锐钛矿TiO2(101)面协同作用的第一性原理研究

基于周期性密度泛函理论研究了N/Fe共掺杂对锐钛矿TiO₂(101)面的修饰作用. 计算了铁替位单掺杂TiO₂(101)面及晶体内部后, 晶体结构变化及形成能. 通过形成能的比较发现, Fe从晶体表面向体内迁移时受到势垒阻碍作用. 同时, 对不同位置表面N/Fe近邻共掺杂晶体形成能的比较, 得出了表面共掺杂的最稳定结构. 通过对电子结构及态密度的分析发现: 表面共掺杂态中, N/Fe共掺杂可改变TiO₂(101)面的电子结构, 并使TiO₂由半导体性向半金属性转变. 关键词： 2(101)面')" href="#">锐钛矿TiO₂(101)面 N/Fe共掺杂 第一性原理 半金属性     

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     

第一性原理研究BaTiO3(001)表面的电子结构

在密度泛函理论的基础上,采用平面波赝势方法计算了立方相BaTiO₃(001)表面的电子结构.结构优化表明最表层原子都向体内弛豫,且金属原子弛豫幅度最大,同时各层层间距变化呈交错分布.对两种表面结构的总能计算发现TiO₂表面稳定性比BaO表面弱,一方面是由于TiO₂表面结构中存在O-2p表面态,使价带和导带中电子态向高能区域偏移.另一方面,TO₂表面附近Ti—O共价键存在强弱差异,有利于发生表面吸附.而在BaO表面结构中,最表层BaO的存在消除了这种差异,因而其表面稳定性较强. 关键词： 第一性原理 钛酸钡 电子结构 表面能     

高氧空位简并锐钛矿TiO2半导体电子寿命的第一性原理研究

为了研究锐钛矿TiO₂晶体中高氧空位浓度对电子寿命的影响,利用基于局域密度泛函理论框架下的广义梯度近似平面波超软赝势方法, 用第一性原理对含高氧空位浓度的锐钛矿TiO₂晶体进行了结构优化处理、能带分布和态密度分布计算, 表明在温度一定和高氧空位浓度的条件下, 锐钛矿TiO₂的电子寿命随氧空位浓度的增大而减小;电子浓度的大小对电子寿命无影响.同时,锐钛矿TiO₂晶体中高氧空位浓度时,发现有莫特相变的现象. 关键词： 高氧空位 2半导体')" href="#">锐钛矿TiO₂半导体 电子寿命 第一性原理     

重氧空位对金红石型和锐钛矿型TiO2导电性能影响的模拟计算

基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,构建了未掺杂与相同重氧空位金红石型和锐钛矿型TiO_1.9375超胞模型,分别对模型进行了几何结构优化、能带结构分布和态密度分布的计算. 结果表明,氧空位后金红石型和锐钛矿型TiO₂体系体积均变大,同时,锐钛矿型TiO_1.9375超胞的稳定性、迁移率以及电导率均高于金红石型TiO_1.9375超胞. 计算结果和实验结果相一致. 关键词： 重氧空位 2')" href="#">金红石型和锐钛矿型TiO₂ 导电性能 第一性原理     

(TiO2)12量子环及过渡金属化合物掺杂对其电子性质影响的密度泛函理论研究

本文采用第一性原理中基于密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA)方法, 设计了一种新的(TiO₂)₁₂ 量子环结构, 研究了它的几何结构、平均结合能及电子云分布等属性. 在此新型结构的基础上, 分别采用过渡金属化合物MoS₂, MoSe₂, MoTe₂, WS₂, WSe₂和WTe₂进行掺杂, 并分析了掺杂后体系的几何结构及电子属性(如平均结合能、能级结构、HOMO-LUMO轨道电子云密度分布和电子态密度等). 计算结果表明: (TiO₂)₁₂量子环直径为1.059 nm, 呈中心对称分布, 且所有原子组成一个二维平面结构, 使其几何结构比较稳定, 另外该量子环HOMO-LUMO轨道电子云分布均匀, 且能隙为3.17 eV, 与半导体材料TiO₂晶体的能隙的实验值(3.2 eV)非常接近. 掺杂后量子环的能隙均大幅减小, 其中WTe₂的掺杂结果能隙最小, 仅为0.61 eV, MoTe₂的掺杂结果能隙最大, 为1.16 eV, 也比掺杂前减小约2.0 eV. 其他掺杂结果的能隙都在1 eV左右, 变化不大. 这个能隙的TiO₂可以利用大部分的太阳光能, 使TiO₂具有更为广泛的应用.     

Adsorption of oxygen on Au(111) by exposure to ozone

Atomic oxygen coverages of up to 1.2 ML may be cleanly adsorbed on the Au(111) surface by exposure to O₃ at 300 K. We have studied the adsorbed oxygen layer by AES, XPS, HREELS, LEED, work function measurements and TPD. A plot of the O(519 eV)/Au(239 eV) AES ratio versus coverage is nearly linear, but a small change in slope occurs at Θ_O=0.9 ML. LEED observations show no ordered superlattice for the oxygen overlayer for any coverage studied. One-dimensional ordering of the adlayer occurs at low coverages, and disordering of the substrate occurs at higher coverages. Adsorption of 1.0 ML of oxygen on Au(111) increases the work function by +0.80 eV, indicating electron transfer from the Au substrate into an oxygen adlayer. The O(1s) peak in XPS has a binding energy of 530.1 eV, showing only a small (0.3 eV) shift to a higher binding energy with increasing oxygen coverage. No shift was detected for the Au 4f_7/2 peak due to adsorption. All oxygen is removed by thermal desorption of O₂ to leave a clean Au(111) surface after heating to 600 K. TPD spectra initially show an O₂ desorption peak at 520 K at low Θ_O, and the peak shifts to higher temperatures for increasing oxygen coverages up to Θ_O=0.22 ML. Above this coverage, the peak shifts very slightly to higher temperatures, resulting in a peak at 550 K at Θ_O=1.2 ML. Analysis of the TPD data indicates that the desorption of O₂ from Au(111) can be described by first-order kinetics with an activation energy for O₂ desorption of 30 kcal mol⁻¹ near saturation coverage. We estimate a value for the Au–O bond dissociation energy D(Au–O) to be 56 kcal mol⁻¹.     

MoO_3/Si界面区钼掺杂非晶氧化硅层形成的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,通过模拟MoO_3/Si界面反应,研究了MoO_x薄膜沉积中原子、分子的吸附、扩散和成核过程,从原子尺度阐明了缓冲层钼掺杂非晶氧化硅(a-SiO_x(Mo))物质的形成和机理.结果表明,在1500 K温度下, MoO_3/Si界面区由Mo, O, Si三种原子混合,可形成新的稳定的物相.热蒸发沉积初始时, MoO_3中的两个O原子和Si成键更加稳定,同时伴随着电子从Si到O的转移,钝化了硅表面的悬挂键. MoO_3中氧空位的形成能小于SiO_2中氧空位的形成能,使得O原子容易从MoO_3中迁移至Si衬底一侧,从而形成氧化硅层;替位缺陷中, Si替位MoO_3中的Mo的形成能远远大于Mo替位SiO_2中的Si的形成能,使得Mo容易掺杂进入氧化硅中.因此,在晶硅(100)面上沉积MoO_3薄膜时, MoO_3中的O原子先与Si成键,形成氧化硅层,随后部分Mo原子替位氧化硅中的Si原子,最终形成含有钼掺杂的非晶氧化硅层.     

空位缺陷对β-AgVO_3电子结构和光吸收性能的影响

基于密度泛函的第一性原理研究了Ag空位、O空位和Ag-O双空位对β-AgVO_3的电子结构及光学性质的影响.采用广义梯度近似平面波超软赝势GGA+U方法,对不同缺陷体系的形成能、能带结构、电子态密度、差分电荷密度和吸收光谱进行了计算和分析.通过比较不同Ag空位和O空位的形成能,确定了β-AgVO_3中主要形成Ag3空位和O1空位,并且Ag空位较O空位更容易形成.Ag3空位和O1空位的存在都使得β-AgVO_3带隙有一定程度的减小;Ag3空位使β-AgVO_3呈现p-型半导体性质,而O1空位和Ag3-O1双空位使β-AgVO_3呈现n-型半导体性质.Ag3和O1空位对晶体在可见光范围内的光吸收影响较小.     

氧空穴导致二氧化钒低温相带隙变窄

具有一定能量的光照导致低温绝缘二氧化钒(VO_2)发生绝缘体金属转变.本文通过密度泛函理论的Heyd-Scuseria-Ernzerhof杂化泛函方法对含氧空穴的低温绝缘VO_2非磁M1相进行第一性原理研究.研究发现,含氧空穴的M1的晶格参数几乎不变,但氧空穴附近的长的V—V键长却变短了.进一步研究发现,尽管纯的非磁M1的带隙是0.68 eV,但含O1和O2位的氧空穴非磁M1带隙分别为0.23 eV和0.20 eV,同时含有O1和O2位氧空穴非磁M1带隙为0.15 eV,这很好地解释了实验结果.     

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.     

Co,Zn共掺铌酸锂电子结构和吸收光谱的第一性原理研究

利用基于密度泛函的第一性原理的计算方法,研究了Co单掺及Co和Zn共掺LiNbO_3晶体的电子结构和吸收光谱.研究显示,各掺杂体系铌酸锂晶体的带隙均较纯铌酸锂晶体变窄. Co:LiNbO_3晶体禁带宽度为3.32 eV; Co:Zn:LiNbO_3晶体, Zn的浓度低于阈值或达到阈值时,禁带宽度分别为2.87或2.75 eV. Co:LiNbO_3晶体在可见-近红外光波段2.40, 1.58, 1.10 eV处形成吸收峰,这些峰归结于Co 3d分裂轨道的跃迁;加入抗光折变离子Zn~(2+),在1.58, 1.10 eV处的吸收峰增强,可以认为Zn~(2+)与Co~(2+)之间存在电荷转移,使e_g轨道电子减少,但并不影响t_(2g)轨道电子.结果表明,晶体中的Co离子在不同共掺离子下可充当深能级中心(2.40 eV),或可充当浅能级中心(1.58 eV),两种情况下,掺入近阈值的Zn离子均有助于实现优化存储.     

三氧化钨表面氢吸附机理的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,在广义梯度近似下,研究了立方WO_3,WO_3(001)表面结构及其氢吸附机理.计算结果表明立方晶体WO_3理论带隙宽度为0.587 eV.WO_3(001)表面有WO终止(001)表面和O终止(001)表面两种结构,表面结构优化后W—O键长和W—O—W键角改变,从而实现表面弛豫;WO终止(001)表面和O终止(001)表面分别呈现n型半导体特征和p型半导体特征.分别计算了H原子吸附在WO终止(001)表面和O终止(001)表面的H—O_(2c)—H,H—O_(2c)…H—O_(2c),H—O_(1c)—H和H—O_(1c)…H—O_(1c)四种吸附构型,其中H—O_(1c)—H吸附构型的吸附能最小,H—O键最短,H失去电子数最多,分别为-3.684 eV,0.0968 nm和0.55e,此吸附构型最稳定.分析其吸附前后的态密度,带隙从吸附前的0.624 eV增加到1.004 eV,价带宽度基本不变.H的1s轨道电子与O的2p,2s轨道电子相互作用,在-8和-20 eV附近各形成了一个较强的孤立电子峰,两个H原子分别与一个O_(1c)原子形成化学键,最终吸附反应生成了一个H_2O分子,同时产生了一个表面氧空位.     

Ce和O空位共掺杂TiO_2的电子结构与光学性质

采用基于密度泛函理论加U的计算方法,研究了Ce和O空位单(共)掺杂锐钛矿相TiO_2的电子结构和光吸收性质.计算结果表明,Ce和O空位共掺杂TiO_2的带隙中出现了杂质能级,且带隙窄化为2.67 eV,明显比纯TiO_2和Ce,O空位单掺杂TiO_2的要小,因而可提高TiO_2对可见光的响应能力,使TiO_2的光吸收范围增加.光吸收谱显示,掺杂后TiO_2的光吸收边发生了显著红移;在400.0—677.1 nm的可见光区,共掺杂体系的光吸收强度显著高于纯TiO_2和Ce单掺杂TiO_2,而略低于O空位单掺杂TiO_2.此外,Ce掺杂TiO_2中引入O空位后,TiO_2的导带边从-0.27 eV变化为-0.32 eV,这表明TiO_2的导带边的还原能力得到了加强.计算结果为Ce和O空位共掺杂TiO_2在可见光光解水方面的进一步研究提供了有力的理论依据.     

金红石TiO_2中本征缺陷扩散性质的第一性原理计算

基于密度泛函理论的爬坡弹性带方法,对金红石相二氧化钛晶体中钛间隙、钛空位、氧间隙、氧空位4种本征缺陷的扩散特征进行了研究.对比4种本征缺陷在晶格内部沿不同扩散路径的过渡态势垒后发现,缺陷扩散过程呈现出明显的各向异性.其中,钛间隙和氧间隙沿[001]方向具有最小的扩散势垒路径,激活能分别为0.505 eV和0.859 eV;氧空位和钛空位的势垒最小的扩散路径分别沿[110]方向和[111]方向,激活能分别为0.735 eV和2.375 eV.     

含空位二维六角氮化硼电子和磁性质的密度泛函研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算, 研究了含B原子空位(V_B), N原子空位(V_N), 以及含B–N键空位 (V_B+N)缺陷的二维氮化硼(h-BN)的电子和磁性质. 在微观结构上, V_B体系表现为在空位附近的N原子重构成等腰三角形, V_N体系靠近空穴的B 原子形成等边三角形, V_B+N体系靠近空穴处的B和N原子在h-BN平面上重构为梯形. 三种空位缺陷都使h-BN的带隙类型从直接带隙转变为间接带隙. V_B体系的总磁矩为1.0 μ_B, 磁矩全部由N原子贡献. 其中空穴周围的三个N原子磁矩方向不完全一致, 存在着铁磁性和反铁磁性两种耦合方式. 对于V_N 体系, 整个晶胞内的总磁矩也为1.0 μ_B, 磁矩在空穴周围区域呈现一定的分布. 关键词： 二维h-BN 空位 电子结构 磁性