锰掺杂二硅化铬电子结构和光学性质的第一性原理计算

采用基于第一性原理的密度泛函理论(DFT)赝势平面波方法计算了锰掺杂二硅化铬(CrSi2)体系的能带结构、态密度和光学性件质.计算结果表明末掺杂CrSi2属于间接带隙半导体间接带隙宽度△ER=0.35 eV;Mn掺杂后费米能级进入导带,带隙变窄,且间接带隙宽度△Eg=0.24 eV,CrSi2转变为n型半导体.光学参数发生改变,静态介电常数由掺杂前的ε1(O)=32变为掺杂后的ε1(O)=58;进一步分析了掺杂对CrSi2的能带结构、态密度和光学性质的影响,为CrSi2材料掺杂改件的研究提供r理论依据.     

Mg、Ge、Te、Zn掺杂LiFePO4电子结构的第一性原理计算

本文采用第一性原理研究了Mg、Ge、Te、Zn掺杂的LiFePO4的能带结构、总态密度以及分态密度. 研究结果显示：Mg、Ge、Te、Zn掺杂的LiFePO4的带隙低于本征体系,有利于电子的跃迁.本征LiFePO4的能带与掺Mg、Ge、Te、Zn体系带隙之差分别为0.04 eV,0.263eV,0.691eV,1.251eV, 说明掺杂Mg、Ge、Te、Zn能够有效的对其能带实现精确调控.在费米能级处,Mg、Ge、Te、Zn掺杂LiFePO4的态密度主要由Fe的d轨道贡献.     

Mg~(2+)掺杂锰酸锂的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法对Mg~(2+)掺杂锰酸锂的晶格常数与能带结构、态密度、键布居进行计算和分析,计算结果表明:掺杂Mg~(2+)后将会促使Mn、 O原子的电荷重新分布且其相互作用加强,能带带隙减小,费米能级附近的带数增加,费米能由-1.29 eV增加到-1.02 eV, Mn、 O、 Mg在总态密度中贡献比较大,锂离子贡献比较小且峰型尖锐局域化严重,提高了Li~+的扩散效率, Mn—O键变短,共价性增强,形成的共价键较稳定,其相互作用形成的骨架较稳定不易坍塌.从而提高了材料的循环充放电性能和电池使用寿命.     

第一性原理研究In,N共掺杂SnO2材料的光电性质

采用全电势线性缀加平面波(FP-LAPW)的方法,基于密度泛函理论第一性原理结合广义梯度近似(GGA),运用Wien2k软件计算了In, N两种元素共掺杂SnO₂材料的电子态密度和光学性质. 研究表明,共掺杂结构在自旋向下和向上两方向上都出现细的局域能级,两者态密度分布不对称;带隙内自旋向下方向上产生局域能级,共掺化合物表现出半金属性;能带结构显示两种共掺杂化合物仍为直接禁带半导体,价带顶随着N浓度的增加发生向低能方向移动,带隙明显增宽;共掺下的介电函数虚部主介电峰只在8.58 eV 关键词： 电子结构 态密度 能带结构 光学性质     

无锂助熔剂B_2O_3对Li_(1.3)Al_(0.3)Ti_(1.7)(PO_4)_3固体电解质离子电导率的影响

采用固相法制备锂离子电池用固体电解质磷酸钛锂铝Li_(1.3)Al_(0.3)Ti_(1.7)(PO_4)_3(LATP),研究了不同烧结温度以及助熔剂对LATP固体电解质离子电导率的影响.采用X射线衍射、能谱分析、扫描电镜和交流阻抗等方法,研究样品的结构特征、元素含量、形貌特征以及离子导电性能.结果表明,在900?C烧结可以获得结构致密、离子电导率较高的纯相LATP陶瓷固体电解质.与添加助熔剂Li BO2的样品进行对比实验发现,采用B_2O_3代替LiBO_2作为助熔剂也可以提高烧结样品的离子电导率,并且电解质的离子电导率随助熔剂添加量的增大,先增大后减小,其中添加质量百分比为2%的B_2O_3的样品具有最高的室温离子电导率,为1.61×10~(-3)S/cm.     

稀土元素La掺杂β-FeSi2的几何结构和电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对稀土元素La掺杂β-FeSi2的几何结构、能带结构、态密度进行了理论计算.几何结构的计算表明:La掺杂后使β-FeSi2的晶格常数a、b、c都变大了,使得晶胞体积也相应增大;La掺杂β-FeSi2的置换位置为FeⅡ位.电子结构的计算表明:能带结构为直接带隙,禁带宽度变窄仅为0.013eV;费米面进入价带,能带数目增多,态密度峰值减小,费米面附近载流子浓度显著增大.这些结果为β-FeSi2光电材料掺杂改性的实验和理论研究提供理论依据.     

Ge,Al掺杂锰硅化和物Mn4Si7的第一性原理计算

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法,对本征Mn₄Si₇以及Ge, Al单掺杂和共掺杂Mn₄Si₇的晶体结构,能带结构,态密度以及光学性质进行了计算和分析.计算结果表明:本征态Mn₄Si₇的禁带宽度为0.810 eV,为直接带隙半导体材料,掺杂后晶体结构稍微变化,禁带宽度减小,且共掺杂时禁带宽度最小,电导率最好.Al以及Ge, Al共同掺杂时会产生杂质能级.掺杂后光子能量向低能级方向移动,光电导率,光吸收,反射系数都有所增大,说明掺杂改善了Mn₄Si₇的光学性质,从而可以提高光伏发电效率.     

Zn空位对Al-P共掺杂ZnO电子结构影响的第一性原理计算

采用第一性原理平面波赝势法计算ZnO（Al,P）体系的晶格参数和电子结构,重点分析Zn空位对体系晶体结构、形成能、态密度的影响.计算结果表明：Al和P共掺杂过程中,Al_Zn-P_Zn有更低的形成能,能带分析呈现n型.并随着Zn空位浓度的增大使得掺杂后的晶胞体积减小,晶格常数c先增大后减小.存在Zn空位的掺杂体系形成能比Al_Zn-P_O掺杂体系低,体系较稳定.能带分析呈现p型趋势.Al和P以1∶2的比例掺杂时,体系的形成能降低,体系更稳定;同时,比较1个V_Zn和2个V_Zn的Al_Zn-P_Zn共掺杂体系的能带结构发现,随着Zn空位浓度增大,带隙增大,体系p型化特征增强.Al_Zn-2P_Zn共掺杂体系带隙减小为0.56 eV,更有利于提高其导电性质.然而出现2V_Zn后,带隙增大为0.73 eV,小于本征ZnO带隙,p型化程度更强烈;此外态密度分析表明2V_Zn的Al_Zn-2P_Zn共掺杂使得态密度更加分散,更多的电子穿过费米能级使得p型化更明显.因此,将Al/P按1∶2的比例共掺且Zn空位增至2个时,可以获得导电性能更好的p型ZnO.     

流延法制备高锂离子电导Li_(1.4)Al_(0.4)Ti_(1.6)(PO_4)_3固态电解质及其环氧树脂改性

以溶胶凝胶法合成的高纯Li_(1.4)Al_(0.4)Ti_(1.6)(PO_4)_3(LATP)纳米晶体粉末为原料,通过流延法成膜,在950℃下煅烧5 h合成LATP固态电解质片;对其进行环氧树脂改性后,能量色散X射线光谱元素图像表明环氧树脂完全浸入LATP内部,可以有效防止水渗透.研究发现流延法合成的LATP固态电解质在25℃?C时电导率高达8.70×10~(-4)S·cm~(-1)、活化能为0.36 eV、相对密度为89.5%.经过环氧树脂改性后电导率仍高达3.35×10-4S·cm-1、活化能为0.34 e V、相对密度为93.0%.高电导隔水的环氧树脂改性LATP固态电解质可作为锂金属保护薄膜用于新型高比容量电池.     

B/N掺杂对双层石墨烯电子特性影响的第一性原理研究

利用平面波超软赝势方法研究了B/N原子单掺杂和共掺杂对双层石墨烯电子特性的影响.对掺杂双层石墨烯进行结构优化,并计算了能带结构、态密度、分波态密度等.分析表明,层间范德瓦尔斯相互作用对双层石墨烯的电子特性有比较明显的影响;B/N原子单掺杂分别对应p型和n型掺杂,会使掺杂片层的能带平移,使得体系能带结构产生较大分裂;双层掺杂的石墨烯能带结构与掺杂原子的相对位置和距离有关,对电子特性有明显的调控作用.其中特别有意义的是,B/N双层共掺杂在不同位置情况下会得到金属性或禁带宽度约为0.3 eV的半导体能带.     

二维Ag2S的电子和光电性能的第一性原理研究

二维Ag₂S是一种具有间接宽带隙的半导体材料，由其在平面内和平面外具有独特的力学性质，因此受到了人们的广泛关注.本文基于密度泛函理论进行了第一性原理计算，研究了二维Ag₂S的电子、光学性质的变化.二维Ag₂S具有较强的方向各异性，通过不同浓度的O取代S替换掺杂，发现随着O浓度的增加，带隙值出现先增大后减小的现象;由于O元素的引入，使二维Ag₂S结构对称性降低，引起能带及光吸收、光反射的分布离散化.y方向4.56～5.36 e V处光吸收及光反射峰随掺杂浓度增加逐渐减小，且出现明显的蓝移.     

A low cost composite quasi-solid electrolyte of LATP,TEGDME,and LiTFSI for rechargeable lithium batteries

The composite quasi solid state electrolytes(CQSE) is firstly synthesized with quasi solid state electrolytes(QSE) and lithium-ion-conducting material Li_(1.4)Al_(0.4)Ti_(1.6)(PO_4)_3(LATP), and the QSE consists of [LiG4][TFSI] with fumed silica nanoparticles. Compared with LATP, CQSE greatly improves the interface conductance of solid electrolytes. In addition,it has lower liquid volume relative to QSE. Although the liquid volume fraction of CQSE is droped to 60%, its conductivity can also reach 1.39 × 10~(-4)S/cm at 20℃. Linear sweep voltammetry(LSV) is conducted on each composite electrolyte.The results show the possibility that CQSE has superior electrochemical stability up to 5.0 V versus Li/Li+. TG curves also show that composite electrolytes have higher thermal stability. In addition, the performance of Li/QSE/Li Mn_2O_4 and Li/CQSE/Li Mn_2O_4 batteries is evaluated and shows good electrochemical characteristics at 60℃.     

Ge，Al掺杂锰硅化合物Mn4Si7的第一性原理计算

基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算方法,对本征Mn4Si7以及Ge,Al单掺杂和共掺杂Mn4Si7的晶体结构,能带结构,态密度以及光学性质进行了计算和分析.计算结果表明：本征态Mn4Si7的禁带宽度为0.810 eV,为直接带隙半导体材料,掺杂后晶体结构稍微变化,禁带宽度减小,且共掺杂时禁带宽度最小,电导率最好.Al以及Ge,Al共同掺杂时会产生杂质能级.掺杂后光子能量向低能级方向移动,光电导率,光吸收,反射系数都有所增大,说明掺杂改善了Mn4Si7的光学性质,从而可以提高光伏发电效率.     

Enhanced ionic conductivity in LAGP/LATP composite electrolyte

Nasicon materials(sodium superionic conductors) such as Li_(1.5)Al_(0.5)Ge_(1.5)(PO_4)_3(LAGP) and Li_(1.4)Al_(0.4)Ti_(1.6)(PO_4)_3(LATP) have been considered as important solid electrolytes due to their high ionic conductivity and chemical stability.Compared to LAGP, LATP has higher bulk conductivity around 10~(-3) S/cm at room temperature; however, the apparent grain boundary conductivity is almost two orders of magnitude lower than the bulk, while LAGP has similar bulk and grain boundary conductivity around the order of 10~(-4) S/cm. To make full use of the advantages of the two electrolytes, pure phase Li_(1.5)Al_(0.5)Ge_(1.5)(PO_4)_3 and Li_(1.4)Al_(0.4)Ti_(1.6)(PO_4)_3 were synthesized through solid state reaction, a series of composite electrolytes consisting of LAGP and LATP with different weight ratios were designed. XRD and variable temperature AC impedance spectra were carried out to clarify the crystal structure and the ion transport properties of the composite electrolytes. The results indicate that the composite electrolyte with the LATP/LAGP weight ratio of 80:20 achieved the highest bulk conductivity which shall be due to the formation of solid solution phase Li1.42 Al0.42 Ge0.3 Ti1.28(PO4)3, while the highest grain boundary conductivity appeared at the LATP/LAGP weight ratio of 20:80 which may be due to the excellent interfacial phase between Li_(1+x)Al_xGe_yTi_(2-x-y)(PO_4)_3/LATP. All the composite electrolytes demonstrated higher total conductivity than the pure LAGP and LATP, which highlights the importance of heterogeneous interface on regulating the ion transport properties.     

过渡金属(Ni)掺杂ZnV2O4的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论下的MS软件模拟了过渡金属Ni掺杂ZnV₂O₄前后的能带结构、态密度以及光学性质.结果表明：ZnV₂O₄具有间接的光学跃迁且能带间隙为0.355 eV,Ni掺杂后能带间隙增加为0.785 eV,且带隙类型不变,引入的Ni-3d轨道电子对ZnV₂O₄的价带和导带组成提供了较大贡献.光学性质结果表明ZnV₂O₄为一种低介电材料,在可见光区的吸收系数和折射率较低,主要表现为紫外吸收.掺杂Ni后,在可见光区的吸收特性和光电导率均增大,有效改善了ZnV₂O₄在可见光区的光电性能.     

镁离子电池正极材料VS_4掺杂改性的第一性原理研究

阳离子掺杂能够有效提高材料的电化学性能,而对掺杂材料结构和电化学性质的研究能从理论上解释产生这种变化的原因.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了过渡族金属掺杂的镁离子电池正极材料TM_(0.125)V_(0.875)S_4(TM=Mo、Fe、Co、Ni)的几何和电子结构变化,计算结果显示:通过采用范德华力修正的GGA+vdw-DF方法,获得了和实验结果相一致的晶格常数.阳离子掺杂后,a轴和b轴晶格常数减小,而c轴晶格常数增大.电子态密度分析表明离子掺杂能够有效降低带隙,提高材料的电子电导率.通过对镁离子扩散进行微动弹性带(NEB)计算,发现Fe掺杂能够有效降低扩散能垒,提高材料的离子迁移率.     

First principles study on Mn-doped LiFePO4 as cathode material for rechargeable lithium batteries

The electronic structure and diffusion energy barriers of Li ions in pure and Mn-doped LiFePO4 have been studied using density functional theory(DFT).The results demonstrate clearly that Fe-O covalent bond is weaker than P-O covalent bond.Pure LiFePO4 has band gap of 0.56 eV and diffusion energy barrier of 2.57 eV for Li ions,while the dopant has small band gap of 0.25 eV and low diffusion energy barrier of 2.31 eV,which indicates that the electronic and ionic conductivity of LiFePO4 have been improved owing to doping.     

Al,Fe, Mg掺杂Li2MnSiO4的电子结构和电化学性能的第一性原理研究

硅酸锰锂作为锂离子电池正极材料因具有高的理论电容量而一直备受关注, 但其较低的导电率和较差的循环性能阻碍了进一步的发展. 采用第一性原理广义梯度近似GGA+U的方法, 研究了Al, Fe, Mg掺杂Li₂MnSiO₄的电子结构、 脱嵌锂电压和导电性. 研究发现, Al 掺杂的Li₂Mn_0.5Al_0.5SiO₄结构中载流子的数目增加, 电子自旋向上和向下的态密度均穿过费米能级, 呈现金属特性, 提高了体系的导电率. 脱锂Li_xMnSiO₄ (x=1, 0)结构中, 通过计算一次脱锂相结构的形成能得到Al掺杂的一次脱锂结构最稳定, 并且Al掺杂的脱锂相结构体积变化小, 有利于材料循环性能的提高, 同时第一个锂离子脱嵌电压与未掺杂时(4.2 V)相比降低到2.7 V. Fe掺杂降低了Li₂MnSiO₄的带隙, 第一个锂离子脱嵌电压降低到3.7 V. 研究表明, Al的掺杂效果优于Fe和Mg, 更利于硅酸锰锂电化学性质的提高.