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     

P掺杂单壁硅纳米管Mg原子吸附性能的第一性原理研究

采用密度泛函理论的广义梯度近似和平面波赝势方法,研究P掺杂单壁硅纳米管对Mg原子的吸附性能.计算本征、掺杂P、施加形变作用（压缩和拉伸）的（6,6）硅纳米管外壁对Mg原子的吸附能,分析掺杂P前后的成键情况及电荷布局数.结果表明,掺杂P使体系形成Mg-P和Si-P间的离子性键,增强了Si-Si间的离子性键,P掺杂硅纳米管超晶格中离子键与共价键共存;掺杂P后显著提高了硅纳米管外壁对Mg原子的吸附能力;硅纳米管外壁对Mg原子的吸附能在0.25%,0.50%,1.00%,1.25%的压缩量和1.00%,1.25%的拉伸量时增大,可显著增强硅纳米管材料作为增强相时与基体界面间结合的粘附性.     

B（N）掺杂单壁碳纳米管的Al原子吸附性能的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波赝势方法和广义梯度近似,对未掺杂、掺B、掺N的碳纳米管(CNT)不同位置上Al原子的吸附进行了几何优化,计算了吸附Al、掺杂前后CNT的能带结构、态密度、差分电荷密度、电荷布居数和吸附能.计算结果表明,掺B使CNT形成缺电子状态,利于具有自由电子的Al原子的吸附结合,可显著提高Al在金属性的(5,5)CNT和半导性的(8,0)CNT外壁的吸附能;掺杂N形成多电子状态,在费米能级附近半满的施主能级也利于填充Al的价电子,改善Al在(5,5)CNT和(8,0)CNT外壁的吸附结合性 关键词： 密度泛函理论 单壁碳纳米管 B(N)掺杂 Al原子吸附     

表面吸附对单层黑磷砷结构、电子性质和磁性调控的第一性原理研究（英文）

基于第一性原理,系统研究了11种不同原子吸附在单层AsP上的儿何结构、吸附能、磁矩和电子结构性质.使用的吸附原子包括轻质非金属(C、N、O)原子,第三周期金属原子(Na、Mg、Al)和过渡金属原子(Ti、V、Cr、Mn和Fe).研究结果表明,吸附原子引起了AsP多样的结构、磁性和电子性质改变.AsP与所研究的吸附原子都能紧密结合,并且所有系统的吸附能都比吸附原子在石墨烯、SiC、BN以及MoS_2上的吸附能强得多.AsP的半导体特性受到吸附原子的影响,其可以诱导产生中间能隙态或引起n型掺杂.此外,表面吸附产生了不同的自旋电子特性,具体而言,吸附N、Ti和Fe的AsP成为双极半导体;Mn修饰的AsP成为双极自旋无间隙半导体.     

表面吸附对单层黑磷砷结构、电子性质和磁性调控的第一性原理研究

基于第一性原理，系统研究了11种不同原子吸附在单层AsP上的几何结构、吸附能、磁矩和电子结构性质. 使用的吸附原子包括轻质非金属(C、N、O)原子，第三周期金属原子(Na、Mg、Al)和过渡金属原子(Ti、V、Cr、Mn和Fe). 研究结果表明，吸附原子引起了AsP多样的结构、磁性和电子性质改变. AsP与所研究的吸附原子都能紧密结合，并且所有系统的吸附能都比吸附原子在石墨烯、SiC、BN以及MoS₂上的吸附能强得多. AsP的半导体特性受到吸附原子的影响，其可以诱导产生中间能隙态或引起n型掺杂. 此外，表面吸附产生了不同的自旋电子特性，具体而言，吸附N、Ti和Fe的AsP成为双极半导体；Mn修饰的AsP成为双极自旋无间隙半导体.     

非金属与金属原子共掺杂石墨烯体系的气敏特性研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了非金属N原子和金属原子(M=Mo,Al,Co,Fe,Au和Pt)共掺杂石墨烯体系(M-GN4)的电子结构和表面活性.研究发现:单个金属原子掺杂的GN4体系表现出不同的稳定性,相比掺杂的Au原子,其它的金属原子都具有很高的稳定性( 6. 0 e V).掺杂的金属原子失去电荷显正电性将有助于调控气体分子的吸附特性. Mo-GN4和Al-GN4衬底对吸附的O_2表现出较高的灵敏性,单个CO和O_2分子在Co-GN4和Fe-GN4衬底的吸附能差别较小.此外,吸附不同的气体分子能够有效地调控M-GN4体系的电子结构和磁性变化.     

氮掺杂双层石墨烯吸附钠的第一性原理研究

采用密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,对Na在本征双层石墨烯(PBLG)和不同掺杂浓度的N掺杂石墨烯(NBLG)表面的吸附性质进行了研究.确定了不同N掺杂浓度时NBLG的最稳定N分布结构,计算了Na在PBLG和不同掺杂浓度的NBLG表面的吸附能.计算结果表明,N原子掺杂倾向于取代对位或次临近位置的C原子,并与下层C原子相对;随着N掺杂浓度的增加,吸附高度逐渐增加,且与掺杂N原子分布相匹配; Na在PBLG表面吸附使平均层间距增加,而在NBLG表面吸附使之减小; Na与C_(27)N_9表面的结合最稳定.     

B、N掺杂对钠在石墨烯上吸附性能的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了本征石墨烯及缺陷石墨烯对Na原子的吸附行为.主要研究了三种石墨烯:本征石墨烯、B掺杂的石墨烯和N掺杂的石墨烯.结果表明,与本征石墨烯相比,B掺杂的石墨烯和N掺杂的石墨烯在吸附能、电荷密度、态密度和储钠量方面表现出很大的差异.B掺杂的石墨烯对Na原子的吸附能是-1.93 e V,约为本征石墨烯对Na原子吸附能的2.7倍;与本征石墨烯相比,N掺杂的石墨烯对Na原子的吸附能明显增大.态密度计算结果表明,Na原子与B掺杂的石墨烯中的B原子发生轨道杂化,而本征石墨烯和N掺杂的石墨烯中不存在轨道杂化现象.B掺杂的石墨烯对Na原子的吸附量是3个,与本征石墨烯相比显著提高.因此,B掺杂的石墨烯有望成为一种新型的储钠材料.     

硼掺杂单壁碳纳米管吸附甲醛的电子结构和光学性能研究

应用基于第一性原理的密度泛函理论研究了硼原子取代掺杂的（8,0）碳纳米管吸附甲醛气体分子的束缚能、电子结构以及光吸收和反射性质.研究发现,硼原子掺杂的碳纳米管对甲醛气体具有较强的敏感性,其束缚能大大增加,电荷转移更加显著,吸收峰和反射峰增多,峰值减小,且在低能区发生蓝移现象,在能量约为172 eV处均出现一特征峰.对计算结果进行了讨论,期望利用硼掺杂碳管来制作检测甲醛的纳米传感器和光电器件. 关键词： 碳纳米管 甲醛 硼原子取代掺杂 光学性能     

Fe/Co/Ni-N共掺杂石墨烯氧还原反应活性的DFT研究

为了研究Fe/Co/Ni-N掺杂石墨烯的氧还原反应(ORR)活性,比较单金属原子和氮不同的掺杂方式对石墨烯ORR活性的影响.利用Materials Studio软件建立了Fe/Co/Ni-N掺杂石墨烯模型,然后将氧气分子分别吸附在Fe/Co/Ni-N掺杂石墨烯模型表面上.采用CASTEP模块对构建的模型进行结构优化并模拟计算,分析了Fe/Co/Ni-N掺杂石墨烯的吸附能、脱附能和导电性变化规律.基于模拟计算,发现单金属原子掺杂石墨烯时,Fe掺杂石墨烯的ORR活性优于Co和Ni;单金属原子和氮共掺杂石墨烯时,Fe-N掺杂石墨烯的ORR活性高于Co-N和Ni-N掺杂石墨烯,且M-N₄-G形态的ORR活性优于M-N₁-G、M-N₂-G和M-N₃-G.     

过渡元素掺杂对Mo力学性能的第一性原理研究

基于密度泛函理论,采用第一性原理方法计算了在Mo中掺杂摩尔百分比分别为2.08%和4.17%的过渡金属元素W,Ti,Cu和Fe后,体系在[111](110)滑移系统上的广义层错能以及解理能,并研究了掺杂元素对Mo的剪切形变以及脆性一韧性的影响,研究发现,掺杂W和Ti原子会使体系剪切形变的发生变得困难,并使Mo材料变脆;而掺杂Cu和Fe原子则会使体系剪切形变的发生变得相对容易,并使Mo材料的韧性增强,此外,随着掺杂浓度的增加,掺杂W会使体系剪切形变的发生变得更为困难,并使Mo材料脆性更强;而掺杂Fe则会使体系剪切形变的发生变得更为容易,并使Mo材料的韧性更强。     

Adsorption of magnetic transition metals on borophene: an ab initio study

We explore the doping strategy for adsorbing different metallic 3d transition-metal atoms (Fe, Co and Ni) on two different polymorphs of borophene monolayer: 2-Pmmn and 8-Pmmn borophene. Both have energy dispersion, with 2-Pmmn borophene being metallic in nature, and 8-Pmmn borophene being semi-metallic with a tilted Dirac cone like dispersion. Using density functional theory based calculations, we find the most suitable adsorption site for each adatom, and calculate the binding energy, binding energy per atom, charge transfer, density of states and magnetic moment of the resulting borophene-adatom system. We show that Ni is the most effective for electron doping for both the polymorphs. Additionally Fe is the most suitable to magnetically dope 8-Pmmn borophene, while Co is the best for magnetically doping 2-Pmmn borophene.     

基于密度泛函理论研究掺杂Pd石墨烯吸附O2及CO

基于第一性原理的密度泛函理论研究了单个O₂和CO气体分子吸附于本征石墨烯和掺杂钯(Pd)的石墨烯的体系, 通过石墨烯掺Pd前后气体分子的吸附能、电荷转移及能带和态密度的计算, 发现掺Pd后气体分子吸附能和电荷转移显著增大, 这是由于Pd的掺杂, 在本征石墨烯能带中引入了杂质能级, 增强了石墨烯和吸附气体分子间的相互作用; 氧化性气体O₂和还原性气体CO吸附对石墨烯体系能带结构和态密度的影响明显不同, 本征石墨烯吸附O₂后, 费米能级附近态密度变大, 掺Pd后在一定程度变小; 吸附还原性的CO后, 石墨烯费米能级附近态密度几乎没有改变, 表明掺杂Pd不会影响石墨烯对CO的气体灵敏度, 但由于CO对石墨烯的吸附能增大, 可以提高石墨烯对还原性气体的气敏响应速度.     

First principles study of Eu doped carbon nanotubes

The geometric and electronic structures of Eu doped single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) have been studied using density functional theory. Three different doping configurations are considered. All of these configurations are stable upon relaxation, and Eu atom on the top of the inside hole site is the most favorable configuration for most nanotubes, except (3,3) CNT. The formation energies vary regularly with the same trend as in the Co and Fe doped cases. The electronic structures studies indicate that the charge transfer basically occurs between 5d6s of Eu and the antibonding orbital of the C6 ring of the SWCNT. Eu atom is monovalent for the exohedral and substitutional doping, and for the endohedral doping of large radius nanotubes; it is bivalent for endohedral doping of (3,3) tube. As the radius increases, the net charges on Eu atom steadily decrease for exohedral and endohedral doping. The magnetic moments of Eu atoms are preserved in all of the configurations, but they vary with the radius of nanotube and adsorbing sites.     

Substitution effects on the hydrogen storage behavior of AB2 alloys by first principles

The hydrogen storage behavior of the TiCr₂ and ZrCr₂ alloys substituted with the third components (Zr, V, Fe, Ni) have been studied using first-principles calculations. The change of the hydrogen absorption energies caused by metal doping is arising from the charge transfer among the doped alloys interior. Zr and V atoms devoted abundant electrons, leading to a great enhancement of the H absorption energy, while Fe and Ni atoms always accepted electrons, yielding a remarkable decrease of the H absorption energy. The hydrogen diffusion energy barrier is closely correlated with the geometry effect rather than the electronic structure.     

Theoretical Studies on Defects of Kaolinite in Clays

Using the first-principles methods, we study the formation energeties and charge doping properties of the extrinsic substitutional defects in kaolinite. Especially, we choose Be, Mg, Ca, Fe, Cr, Mn, Cu, Zn as extrinsic defects to substitute for Al atoms. By systematically calculating the impurity formation energies and transition energy levels, we find that all group-Ⅱ defects introduce the relative shallow transition energy levels in kaolinite. Among them, MgAl has the shallowest transition energy level at 0.08 eV above the valence band maximum. The transition- elemental defects FeAl, CrAl, and MnAl are found to have relative low formation energies, suggesting their easy formation in kaolinite under natural surrounding conditions. Our calculations show that the defects CuAl and ZnAl have the high formation energies and deep transition energy levels, which exclude the possibility of their formation in natural kaolinite.     

单层GaSe表面Fe原子吸附体系电子自旋性质调控

Ⅲ族金属单硫化物因其优越的光电和自旋电子特性而备受关注,实现对其自旋性质的有效调控是发展器件应用的关键.本文采用密度泛函理论系统地研究了GaSe表面Fe原子吸附体系的几何构型及自旋电子特性.Fe/GaSe体系中Fe吸附原子与最近邻Ga,Se原子存在较强的轨道耦合效应,使体系呈现100%自旋极化的半金属性.其自旋极化贡献主要来源于Fe-3d电子的转移及Fe-3d,Se-4p和Ga-4p轨道杂化效应.对于Fe双原子吸附体系,两Fe原子之间的自旋局域导致原本从Fe转移至GaSe的自旋极化电荷量减少,从而费米能级附近的单自旋通道转变为双自旋通道,费米能级处的自旋极化率转变为0.研究结果揭示了Fe_n/GaSe吸附体系自旋极化特性的形成和转变机制,可为未来二维自旋纳米器件的设计与构建提供参考.     

硫在Fe(100)面吸附的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理方法,在广义梯度近似下,计算了硫原子在Fe(100)面吸附的结构和电子性质,并计算了其分子轨道和吸附能.同时讨论了相关吸附性质与硫原子表面覆盖度(0.25-1.0ML)的关系.结果表明：硫原子吸附在H位最稳定,吸附能均随浓度的增加而单调增加;B位吸附的硫原子与Fe(100)表面的距离随浓度非单调变化,在0.5ML时达到最大,是由较高的局域电子云重叠产生的排斥作用所导致的;对比分析吸附前后硫和Fe的s及p电子的态密度,显示了硫化亚铁的生成.     

Fe掺杂单壁ZnS纳米管磁性质

采用第一性原理密度泛函理论系统研究Fe原子掺杂单壁ZnS纳米管的结构和磁性质.首先比较掺杂纳米管的稳定性.结果表明,掺杂纳米管的形成能比纯纳米管的形成能低,说明掺杂过程是一个放热反应.单掺杂纳米管的总磁矩等于掺杂的磁性原子的磁矩,主要来自Fe原子3d态的贡献.Fe原子掺杂单壁ZnS纳米管趋向于反铁磁态.为了得到稳定的铁磁态,用一个C原子替代掺杂体系中的一个S原子.计算发现铁磁态的能量比亚铁磁态低0.164 eV的.在铁磁态和反铁磁态之间存在的巨大的能量差,表明此掺杂体系可能获得室温铁磁性.     

La、Al在Fe晶界上协同作用的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理,研究了稀土La和Al在bcc-Fe中Fe晶界处的协同作用影响.计算了La和Al在晶界、表面、晶内的形成能,建立La、Al共存于晶界模型,通过电荷密度、布居分布手段分析了La、Al原子对晶界的影响.结果表明:La、Al原子易偏聚在晶界处,且La-Al的原子间距与体系结合能成正比关系. La的掺杂改善了晶界处的电荷分布情况,促进了Al原子与周围Fe原子间的相互作用,态密度曲线的计算结果显示,La原子的加入能够使La、Fe及Al原子间的键的结合力更强,从而提高了界面结合强度.