快凝Pd82Si18合金原子团簇的演化特性及遗传机制

采用分子动力学(MD)模拟计算,对Pd82Si18合金快凝过程中基本原子团簇的遗传特性、演化趋势和结构稳定性进行了研究.团簇类型指数法(CTIM)分析表明:非晶固体中Si原子为中心的(102/14418/1551)双帽阿基米德反棱柱(BSAP)团簇数目占据优势.快凝过程中,BSAP结构团簇具有最大的遗传分数,并且其他以Si原子为中心的Kasper团簇大多都会向BSAP结构团簇转变.通过对Si原子为中心的Kasper基本团簇电子性质第一性原理计算发现,体系中BSAP团簇的结合能最低,结构稳定性较高,与分子动力学计算结果一致.     

高压对快凝Pd_(82)Si_(18)合金团簇结构及其遗传的影响

采用分子动力学方法,对高压条件下液态Pd_(82)Si_(18)合金快凝过程进行了模拟研究,并采用双体分布函数、Honeycutt-Andersen键对指数、原子团类型指数等方法表征和分析了快凝合金的微结构特征.结果发现:随着压力增加,玻璃合金中低配位数(Z≤11)的Kasper团簇数目显著减少,而高配位数(Z≥12)的Kasper团簇及其变形结构的数目大幅增加,当压力超过10 GPa玻璃合金中的(11 2/1441 8/1551 1/1661)团簇取代了(10 2/1441 8/1551)团簇的主导地位.提高压力能显著增加玻璃合金中高配位数(Z≥12) Kasper团簇铰链的中程序(MRO)数目,但低配位数(Z≤11) Kasper团簇仍主要形成共享顶点原子的扩展团簇.遗传跟踪分析发现,压力能够显著提高Kasper团簇的阶段遗传分数和遗传起始温度,增强了快凝Pd_(82)Si_(18)合金的玻璃形成能力.     

冷速对快凝Ni50Zr50合金团簇结构遗传与演化特性的影响

采用分子动力学方法,模拟研究 6 个不同冷速下液态 Ni50Zr50 合金的快速凝固过程,用双体分布函数、原子团类型指数、遗传跟踪等方法对快凝合金的微结构特征与演化特性进行表征和分析.结果表明:Ni50Zr50 玻璃合金中数目最多的原子组态是 Z11 Kasper团簇,而非二十面体.快凝合金中的特征团簇趋向于聚合在一起形成中程序,其数目随冷速的降低而增加.基本团簇的结构遗传均起始于 Tm～Tg 的过冷液相区,其中 Z11 Kasper团簇在 Tg以上的附近温区具有最高阶段遗传分数.提高冷速有利于过冷液相区中基本团簇的阶段遗传分数增加和遗传的起始温度升高.冷速诱导的 Ni50Zr50 合金玻璃形成能力(GFA)的提高可以归因于特征团簇(如 Z11 Kasper 团簇)遗传能力的增强.     

快凝过程中液态Cu64Zr36合金二十面体团簇遗传与演化跟踪

采用分子动力学方法模拟研究了液态Cu₆₄Zr₃₆合金在冷速50 K/ns下 的快速凝固过程, 并通过双体分布函数、Honeycutt-Andersen (H-A) 键型指数和团簇类型指数对其微结构演变特性进行了分析. 液态与快凝玻璃合金的主要原子组态都是二十面体(12 0 12 0)及其变形结构 (12 8/1551 2/1541 2/1431), 其中比例最高的是Cu芯Cu₈Zr₅基本原子团, 其次是Cu₇Zr₆和Cu₉Zr₄团簇; 并且由这些二十面体基本原子团铰链形成的中程序, 其尺寸分布在液相和固相中分别呈现出13, 19, 25,···和13, 19, 23, 25, 29, 37,···的幻数特征. 团簇的演化与跟踪分析发现: 没有任何团簇能从液态直接遗传到固态合金, 遗传的起始温度出现在T_m–T_g过冷液相区. 二十面体团簇的遗传主要以完全和直接遗传为主, 并且一个明显的增加发生在T_g附近. 在玻璃化转变温度T_g以下, (12 0 12 0) 二十面体比 (12 8/1551 2/1541 2/1431) 变形二十面体具有更高的结构遗传能力, 但仅有少部分在遗传过程中能保持化学成分的恒定. 通过部分遗传, 某些二十面体中程序甚至也能从过冷液体中被遗传到玻璃合金.关键词：快速凝固分子动力学二十面体团簇遗传     

二十面体团簇的遗传:一个与快凝Cu56Zr44合金玻璃形成能力有关的动力学参数

采用分子动力学方法模拟研究了液态Cu₅₆Zr₄₄合金在不同冷速γ与压力P下的快速凝固过程, 并通过基于Honeycutt-Andersen键型指数的扩展团簇类型指数法对其微结构演变特性进行了分析. 结果表明: 快凝玻璃合金的局域原子组态主要是(12 12/1551)规则二十面体、以及 (12 8/1551 2/1541 2/1431)与(12 2/1441 8/1551 2/1661) 缺陷二十面体. 通过原子轨迹的逆向跟踪分析发现: 从过冷液体中遗传下来的二十面体对快凝合金的玻璃形成能力(GFA)具有重要影响, 不仅其可遗传分数F_i =N_{300 K←Tg}ⁱ/N_Tg 与GFA密切相关, 而且其遗传起始温度(T_onset)与合金约化玻璃转变温度T_rg = T_g/T_m也存在很好的对应关系.     

Si2CmN团簇的结构及稳定性的密度泛函理论研究

用密度泛函理论(DFT)的B3LYP/6-311G*方法,对Si2CmN(m=2-10)团簇的几何构型、振动频率和基态能量等性质进行了研究,讨论了化学键的特征和热力学稳定性。振动频率和振动强度被用来判断体系的基态结构。结果表明,m=2-10的团簇为线性结构,随着m的增大,团簇的自旋多重度均为2,Si原子在C与N原子形成的线性链端部成键,团簇的基态能量近似线性增大。m为偶数的Si2CmN团簇比m为奇数的更为稳定。     

耦合形貌对Si4团簇电子输运影响的第一性原理计算

运用密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的方法,对Si₄团簇与Au （100）-3×3两电极以顶位-顶位、顶位-空位、空位-空位三种形貌相连构成的Au-Si₄-Au纳米结点的拉伸过程进行第一性原理模拟,计算不同构型纳米结点在不同距离的电导和结合能.讨论耦合形貌、距离对结点电导的影响,结合能的计算表明三种不同耦合形貌结点存在稳定平衡结构,其平衡电导分别为0.71 G₀、0.96 G₀和2.44 G₀,且在-1.2 V~1.2 V的电压范围内,三种不同耦合形貌结点稳定结构表现出类似金属的导电特性,其I-V关系都近似为直线.计算结果表明Si₄团簇与电极的耦合形貌、两极距离对纳米结点电子输运有重要影响.     

Si10团簇成键条件和解离行为的密度泛函紧束缚研究

本研究利用遗传算法和基于密度泛函理论的紧束缚方法相结合的计算方法,研究了Si₁₀团簇的原子堆积结构的成键条件和电子性质.计算结果发现,Si₁₀团簇的最低能稳定结构表现为以一个三棱柱体为基础结构单元,在其3个侧面和一个底面堆积了四个金字塔堆积结构,形成了由四个金字塔包围三棱柱体的类球形结构.原子间成键强烈依赖于团簇中各原子紧邻原子的几何排布情况,原子间交叠电子布居数具有显著的方向性,随着键长增加迅速减小.由团簇中各原子成键条件的分析,可以判断Si₇团簇是Si₁₀团簇最容易形成的解离产物,然后出现的是Si₆团簇.     

Li原子修饰笼型Si6团簇的结构和储氢性能

利用杂化密度泛函B3LYP方法, 在6-311+G(d, p)基组水平上对Si6和Li修饰的Si6团簇的几何结构和电子性质及储氢性能进行模拟计算和理论研究. 结果表明, Si6团簇最低能量构型为笼型结构, 纯Si6团簇不能有效吸附氢分子. Li原子的引入显著改善了Si6团簇的储氢能力. 以两个Li原子端位修饰Si6团簇为载体, 其氢分子的平均吸附能为1.692~2.755 kcal/mol, 每个Li原子周围可以有效吸附五个氢分子, 储氢密度可达9.952wt%. 合适的吸附能和较高储氢密度表明Li修饰Si6团簇有望成为理想的储氢材料.     

BenLa (n=1-18) 团簇的结构、电子性质和磁性

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,在多种初始构型下充分考虑自旋多重度,研究了BenLa团簇的平衡几何结构、电子性质和磁性.结果表明:BenLa团簇的基态附近有许多能量非常接近的同分异构体,说明该团簇结构较复杂,对其基态的寻找极具挑战性.BenLa团簇具有磁性且稳定性远高于Ben+1团簇,由此可知通过选择合适的掺杂元素可能得到高稳定性的磁性团簇.Be17La团簇特别稳定且能隙与主团簇的能隙相当.体系的磁矩主要来自外层未成对的价电子且La元素的贡献是主要的,除BeLa,Be3La团簇的磁矩为3μB外,其余的都为1μB.     

石墨烯纳米片大自旋特性第一性原理研究

通过基于密度泛函理论的全电子数值轨道第一性原理电子结构计算,研究了各种形状有限石墨烯片段(石墨烯纳米片, GNF)的磁特性,证明GNF的自旋磁有序来源于由其形状决定的π键拓扑挫折(topological frustration)作用.锯齿形边缘的三角形GNF的净自旋不为零,如同一个人造铁磁性原子团,总自旋随尺度线性增加.根据拓扑挫折原理,可以在GNF中引入较大的净自旋和独特的自旋分布,如由三角形GNF单元构成的复杂分形结构,总自旋随分形级数呈指数上升.通过刻蚀技术制作具有一定拓扑结构的GNF可以实现可控自旋电子纳米材料和器件应用.     

First-principles study of the （001） surface of cubic PbHfO3 and BaHfO3

Using first-principles techniques,we investigate the(001) surfaces of cubic PbHfO3(PHO) and BaHfO3(BHO) terminated with both AO(A=Pb and Ba) and HfO2.Surface structure,partial density of states,band structure,and surface energy are obtained.The BaO surface is found to be similar to its counterpart in BHO.For the HfO2-terminated surface of cubic PHO,the largest relaxation appears on the second-layer atoms but not on the first-layer ones.The analysis of the structure relaxation parameters reveals that the rumpling of the(001) surface for PHO is stronger than that for BHO.The surface thermodynamic stability is explored,and it is found that both the PbO-and the BaO-terminated surfaces are more stable than the HfO2-terminated surfaces for PHO and BHO,respectively.The surface energy calculations show that the(001) surface of PHO is more easily constructed than that of BHO.     

CoSi电子结构第一性原理研究

采用基于第一性原理的密度泛函理论全势线性扩展平面波法,首先对CoSi的晶胞参数进行优化计算,CoSi多粒子系统的最低能量为-134684297Ry,此时其晶胞处于最稳态,与最稳态对应的晶胞体积V0等于5899360a.u.3,晶胞参数为a=b=c=04438nm;然后计算了优化后的CoSi的电子结构及Si侧Al掺杂的CoSi075Al025的电子结构并分析了两者的电子结构特征,计算的CoSi电子能态密度与已有的计算结果整体形貌相同,但存在局部差异,Al掺杂后费米面发生了偏移;最后探讨了两者的电子结构对热电性能的影响,Al掺杂可提高CoSi的材料参数B,因此有望提高其热电性能.关键词：第一性原理电子结构热电性能     

碳掺杂BaTiO3的电子结构和磁性研究

基于密度泛函理论,从头计算了C间隙和替位氧掺杂立方结构BaTiO3的电子结构和磁学性质．结果表明C掺杂BaTiO3在自旋极化状态下的总能量比自旋非极化状态下的总能量小,说明C掺杂BaTiO3的基态具有铁磁性．从态密度和自旋电子密度分布可知,C位于BaTiO3间隙的磁性机理和过渡金属掺杂半导体产生磁性的机理类似：C替位掺杂BaTiO3体系磁性源于未配对的C2p电子．     

几种三元过渡金属碳化物弹性及电子结构的第一性原理研究

基于密度泛函理论平面波方法研究了六方WC型Re_xW_1－xC(x=1, 0.25, 0.75, 0),Re_0.5Os_0.5C和Os_0.5W_0.5C的晶体结构、弹性和电子结构性质.研究发现Re_0.25W_0.75C晶体具有优异的弹性性能及稳定性,其剪切模量(312 GPa)超过了所有其他实验合成和     

旋转双层石墨烯的电子结构

本文将第一性原理和紧束缚方法结合起来, 研究了层间不同旋转角度对双层石墨烯的电子能带结构和态密度的影响. 分析发现, 旋转双层石墨烯具有线性的电子能量色散关系, 但其费米速度随着旋转角度的减小而降低. 进一步研究其电子能带结构发现, 不同旋转角度的双层石墨烯在M点可能会出现大小不同的的带隙, 而这些能隙会增强双层石墨烯的拉曼模强度, 并由拉曼光谱实验所证实. 通过对比双层石墨烯的晶体结构和电子态密度, 发现M点处带隙来自于晶体结构中的“类AB堆垛区”.关键词：旋转双层石墨烯第一性原理紧束缚电子结构     

铁原子吸附联苯烯单层电子结构的第一性原理

联苯烯单层由碳原子的四元、六元和八元环组成,具有与石墨烯相似的单原子层结构.2021年5月,Science首次报道了该材料的实验合成,引起了科研工作者的极大关注.基于第一性原理的密度泛函方法,研究了铁原子在联苯烯单层的吸附构型并分析了其电子结构.结构优化、吸附能和分子动力学的计算表明,联苯烯单层的四元环空位是铁原子最稳定的吸附位点,吸附能可达1.56 eV.电子态密度计算表明铁3d电子与碳的2p电子有较强的轨道杂化,同时电荷转移计算显示铁原子向近邻碳原子转移的电荷约为0.73个电子,说明联苯烯单层与吸附的铁原子之间形成了稳定的化学键.另外,铁原子吸附于联苯烯单层后体系显磁性,铁原子上局域磁矩大小约为1.81μB,方向指向面外.因此,本文确认了联苯烯单层是比石墨烯更好的铁原子吸附载体且体系有磁性,这为研究吸附材料的电磁、输运、催化等特性提供了新的平台.     

掺杂六角形石墨烯电子输运特性的研究

锯齿型和扶手椅型六角形石墨烯分别跨接在两Au电极上, 构成分子纳器件, 同时考虑对六角形石墨烯分别进行B, N和BN局部规则掺杂. 利用第一性原理方法, 系统地研究了这些器件的电子输运特性. 计算结果表明: B及BN掺杂到扶手椅型六角形石墨烯, 对其电流有较好的调控效应, 同时发现本征及掺杂后的锯齿型六角形石墨烯均表现为半导体性质, 且N及BN掺杂时, 表现出明显的负微分电阻现象, 特别是N掺杂的情况, 能呈现显著的负微分电阻效应, 这也许对于发展分子开关有重要应用. 通过其透射特性及掺杂诱发的六角形石墨烯电子结构的变化, 对这些结果的内在原因进行了说明.     

MoSi2薄膜电子性质的第一性原理研究

采用第一性原理计算方法, 研究了四方MoSi₂薄膜的电子性质. 计算结果表明, 各种厚度的薄膜都是金属性的, 并且随着厚度的增加, 其态密度与能带结构都逐渐趋近于MoSi₂块体的特性. 通过对MoSi₂薄膜磁性的分析, 发现三个原子层厚的薄膜具有磁性, 其原胞净磁矩为0.33 μ_B; 而当薄膜的厚度大于三个原子层时, 薄膜不具有磁性. 此外, 进一步对单侧加氢饱和以及双侧加氢饱和结构下三原子层MoSi₂薄膜的电子性质进行了研究, 发现单侧加氢饱和的三原子层MoSi₂薄膜具有磁性, 其原胞净磁矩为0.26 μ_B, 而双侧加氢饱和三原子层MoSi₂薄膜是非磁性的. 双侧未饱和与单侧加氢饱和的三原子层MoSi₂薄膜的自旋极化率分别为30%和33%. 这些研究结果表明, 三原子层厚的MoSi₂ 超薄薄膜在悬空或者生长于基底之上时具有金属磁性, 预示着它在纳米电子学和自旋电子学器件等方面都有潜在的应用前景.