硅和钇双掺杂对γ-TiAl基合金稳定性和抗氧化性的影响

改善TiAl基合金的高温抗氧化性,对于拓展其应用领域具有重要意义.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,从原子平均形成能、弹性常数、间隙O原子的形成能、Ti空位和Al空位的形成能等方面研究了Si和Y替位双掺杂对γ-TiAl基合金抗氧化性的影响.结果显示,各个双掺杂γ-TiAl体系的原子平均形成能均为负值,表明体系具有能量稳定性,理论预报它们均可以由实验制备,其中大多数体系的弹性常数满足力学稳定性判据.对于满足力学稳定性条件的体系,综合间隙O原子的形成能、Ti空位和Al空位形成能的分析结果,揭示Si和Y均替位Ti生成体系Ti_6SiYAl_8对改善抗氧化性效果明显;Y替位Ti且Si替位Al生成体系Ti_7YAl_7Si,Si替位Ti且Y替位Al生成体系Ti_7SiAl_7Y对改善抗氧化性具有不确定性;Si和Y均替位Al生成体系Ti_8Al_6SiY不利于改善抗氧化性.     

B掺杂锐钛矿型(101)面的电子结构和光学性质研究

采用平面波超软赝势方法计算了B掺杂锐钛矿型TiO2(101)面的几何结构、缺陷形成能、电子结构和光学性质.分析B掺杂后的几何结构,发现氧化气氛下B易于掺杂间隙1处,还原气氛下易于替位掺杂O3C2.计算了掺杂前后的氧空位VO形成能和替位形成能,得出B掺杂和氧空位相互促进的结论.B掺杂在导带底引入了杂质能级,B的2p态和Ti的3d态发生强烈关联而使带隙变窄,发生红移现象.O空位也使带隙变窄,但未发现红移现象.B掺杂和O空位同时存在则使吸收光谱扩展至整个可见光区.     

B掺杂锐钛矿型(101)面的电子结构和光学性质研究

采用平面波超软赝势方法计算了B掺杂锐钛矿型TiO2(101)面的几何结构、缺陷形成能、电子结构和光学性质.分析B掺杂后的几何结构,发现氧化气氛下B易于掺杂间隙1处,还原气氛下易于替位掺杂O3C2.计算了掺杂前后的氧空位VO形成能和替位形成能,得出B掺杂和氧空位相互促进的结论.B掺杂在导带底引入了杂质能级,B的2p态和Ti的3d态发生强烈关联而使带隙变窄,发生红移现象.O空位也使带隙变窄,但未发现红移现象.B掺杂和O空位同时存在则使吸收光谱扩展至整个可见光区.     

替位杂质对低能Pt原子与Pt(111)表面相互作用影响的分子动力学模拟

采用嵌入原子方法的原子间相互作用势，通过分子动力学方法模拟了低能Pt原子与Cu，Ag，Au，Ni，Pd替位掺杂Pt(111)表面的相互作用过程，系统研究了替位原子对表面吸附原子产额、溅射产额和空位缺陷产额的影响规律，分析了低能沉积过程中沉积原子与基体表面的相互作用机理以及替位原子的作用及其影响规律.研究结果显示：替位原子的存在不仅影响着沉积能量较低时的表面吸附原子的产额与空间分布，而且对沉积能量较高时的低能表面溅射过程和基体表面空位的形成产生重要影响.替位原子导致的表面吸附原子产额、表面原子溅射以及空位形 关键词： 分子动力学 低能粒子 替位掺杂 表面原子产额 溅射 空位     

改善Si3N4俘获层过擦现象的第一性原理研究

采用第一性原理方法对如何改善电荷俘获存储器的过擦现象进行了研究. 过擦是由于氮空位中Si原子对电荷的局域能力弱导致, 因此, 在Si₃N₄超胞中分别建立了以C, N, O替换氮空位中的Si原子的缺陷结构作为本文的研究模型. 分别计算了擦写之后体系的巴德电荷分布、相互作用能、态密度, 借以分析替位原子对过擦的影响. 巴德电荷分布的计算结果表明, Si₃N₄在O替位128号Si后的过擦现象被明显改善; C替位128号Si也可以改善过擦, 但由于C替位对电荷的局域作用变弱, 不利于电荷的存储实现; N替位128号Si则不能改善过擦; 而在162和196号Si位置, 三种原子的替换均无法改善过擦现象. 相互作用能的研究表明, 在128号Si位置, 三种原子都能够和氮空位形成团簇, 在体系中稳定存在. 特别地, O替位Si后, 体系中两缺陷的相互吸引作用最弱, 从而写入的电荷能够短暂的打破O团簇的稳定性, 实现电荷重构, 将电荷局域在O团簇周围. 此外, 态密度的分析结果表明O在128号Si位置能够在Si₃N₄禁带中引入深能级缺陷, 深能级局域电荷的能力强. 以上分析证明, O替位可以很好的改善Si₃N₄中的过擦现象. 本文的研究结果为电荷俘获存储器改善过擦提供了一种方法, 对提高器件的电荷保持特性和优化存储窗口具有指导意义.     

MoSi_2(001)表面的氧吸附行为

运用第一原理密度泛函理论方法,首先计算了MoSi_2各清洁表面的表面能,(001)Si-|-Si断面具有较低的表面能,是MoSi_2最可能的解理面;通过生成能及键布居分析研究了单氧原子、双氧原子及氧分子在(001)Si-|-Si断面的吸附行为,发现单氧原子在空位处吸附最稳定,此时O极易与Si结合,得到的Si-O-Si键长及键角与SiO_2的非常接近,表明低浓度下O极易与表面的Si结合生成SiO_2;双氧原子发生空位+顶位吸附时O原子除与Si有强作用外,可与Mo有一定相互作用;氧分子以平行的方式接近空位最有利于吸附,此时氧分子最易分解为氧原子,发生氧原子在空位的吸附.     

二氧化硫在改性BC_3表面的吸附特性研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法观察修饰不同原子(Mo,Pt,Si)来调控BC_3体系的表面结构和反应活性.研究发现:单个原子吸附在BC_3表面具有不同的稳定位,Pt和Si原子吸附在H1位稳定,而Mo原子吸附在H2位稳定.单个原子在完整结构BC_3表面的扩散势垒较小,而掺杂的原子在单空位缺陷BC_3体系中具有极高的稳定性( 6.5 eV),这些掺杂原子显正电性能够有效地调制BC_3体系的电子结构、磁性以及影响二氧化硫(SO_2)的吸附强弱.与Pt原子掺杂的BC_3体系(Pt-BC_3)相比,单个SO_2分子在Si-和Mo-BC_3体系上的吸附能较大,表现出较高的灵敏特性.该研究为设计类石墨烯基功能纳米材料提供参考.     

替位杂质对贵金属(111)表面稳定性影响的分子动力学研究

采用嵌入原子方法的原子间相互作用势，通过分子动力学方法研究了过渡族金属Cu，Ag，Au，Ni，Pd，Pt(111)表面的相互替位掺杂对表面稳定性的影响，计算了替位掺杂体系的表面能与表面空位形成能，探讨了影响表面稳定性的因素及其变化规律. 计算表明：替位杂质对表面能变化的影响主要是替位杂质的凝聚能和原子半径，而影响空位形成能变化的原因除凝聚能和原子半径外，合金溶解热具有重要的作用. 此外，通过替位杂质导致的体系表面能变化对合金体系的偏析行为进行了预测，理论预测与实验结果符合很好. 关键词： 替位杂质 贵金属 表面能 表面空位形成能     

RF溅射钕掺杂ZnO薄膜的结构与发光特性

通过射频磁控溅射技术在Si(111)衬底上制备了未掺杂ZnO薄膜和Nd掺杂ZnO薄膜。应用XRD分析了ZnO:Nd薄膜的晶格结构,通过AFM观察了ZnO:Nd薄膜的表面形貌。结果表明,Nd掺入了ZnO晶格中,由于Nd原子半径大于Zn原子半径,Nd以替位原子的形式存在于ZnO晶格中。ZnO:Nd薄膜为纳米多晶薄膜,表面形貌粗糙。ZnO:Nd薄膜的室温光致发光谱表明,相同条件下制备的未掺杂ZnO薄膜和Nd掺杂ZnO薄膜都出现了395nm的强紫光带和495nm的弱绿光带。我们认为,紫光发射峰窄而锐且强度远大于绿光峰,源于薄膜中激子复合;绿光峰强度较弱,源于薄膜中的氧空位(VO)及氧反位锌缺陷(OZn)。Nd掺杂没有影响ZnO:Nd薄膜的PL谱的发射峰的峰位。由于Nd3 离子电荷数与Zn2 离子电荷数不相等,为了保持ZnO薄膜的电中性,间隙锌(VZn)可以作为Nd替位补偿性的受主杂质而存在,影响ZnO薄膜的激子浓度。同时,Nd掺入使ZnO的晶格畸变缺陷浓度改变增强,因而发射峰的强度随Nd掺杂浓度不同而变化。     

H_2气氛退火处理对Nb掺杂TiO_2薄膜光电性能的影响

采用电子束沉积方法,以钛酸锶(SrTiO3)为衬底制备铌(Nb)掺杂TiO2薄膜并研究后续H2气氛退火处理对其薄膜样品光电性能的影响.结果发现H2气氛热退火处理能有效改善Nb掺杂TiO2薄膜的导电率,最佳电阻率达到5.46×10-3Ω·cm,在可见光范围内的透光率为60%—80%.导电性能的改善与H2气氛退火处理后多晶薄膜的晶粒尺寸变大和大量的氧空位形成及H原子掺杂有关.     

石墨烯在Al_2O_3(0001)表面生长的模拟研究

基于密度泛函理论的广义梯度近似法,对用化学气相沉积法在蓝宝石(α-Al_2O_3)(0001)表面上生长石墨烯进行理论研究.研究结果表明:CH_4在α-Al_2O_3(0001)表面上的分解是吸热过程,由CH_4完全分解出C需要较高能量及反应能垒,这些因素不利于C在衬底表面的存在.在α-Al_2O_3(0001)表面,石墨烯形核的活跃因子并不是通常认为的C原子,而是CH基团.通过CH基团在α-Al_2O_3(0001)表面上的迁移聚集首先形成能量较低的(CH)_x结构.模拟研究(CH)_x对揭示后续石墨烯的形核生长机理具有重要意义.     

The vacancy defects and oxygen atoms occupation effects on mechanical and electronic properties of Mo_5Si_3 silicides

Improving brittle behavior and mechanical properties is still a big challenge for high-temperature structural materials.By means of first-principles calculations,in this paper,we systematically investigate the effect of vacancy and oxygen occupation on the elastic properties and brittle-orductile behavior on Mo_5Si_3.Four vacancies (Si_(–Va1),Si_(–Va2),Mo_(–Va1),Mo_(–Va2)) and oxygen occupation models (O_(–Mo1),O_(–Mo2),O_(–Si1),O_(–Si2)) are selected for research.It is found that Mo_(–Va2)vacancy has the stronger structural stability in the ground state in comparison with other vacancies.Besides,the deformation resistance and hardness of the parent Mo_5Si_3are weakened due to the introduction of different vacancy defects and oxygen occupation.The ratio of B/G indicates that oxygen atoms occupation and vacancy defects result in brittle-to-ductile transition for Mo_5Si_3.These vacancies and the oxygen atoms occupation change the localized hybridization between Mo–Si and Mo–Mo atoms.The weaker O–Mo bond is a contributing factor for the excellent ductile behavior in the O_(-Si2)model for Mo_5Si_3.     

正交相Fe2(MoO4)3的制备与表征及其负膨胀行为的第一性原理研究

采用水热合成法制备出Fe₂(MoO₄)₃样品, 并用高温X-射线衍射、热重和差示扫描量热同步热分析仪对其进行表征, 发现样品在510 ℃附近发生低温单斜相和高温正交相之间的可逆相变, 且正交相表现出负膨胀特征. 采用第一性原理计算了正交相Fe₂(MoO₄)₃ 的原子、电子结构以及声子谱、声子态密度, 并和可获得的实验结果进行了系统的比较. 结果显示正交相Fe₂(MoO₄)₃中MoO₄四面体较之FeO₆八面体具有更强的刚性. 发现最低频的光学支处具有最负的格林乃森(Grüneisen)系数, MoO₄四面体和FeO₆ 八面体相连的桥氧原子的横向振动、FeO₆八面体柔性扭曲转动以及MoO₄四面体的刚性翻转共同导致了Fe₂(MoO₄)₃负膨胀现象的发生.     

Perpendicular magnetic anisotropy of Pd/Co2MnSi/NiFe2O4/Pd multilayers on F-mica substrates

Pd/Co₂MnSi(CMS)/NiFe₂O₄(NFO)/Pd multilayers were fabricated on F-mica substrate by magnetron sputtering.The best PMA performance of the multilayer structure Pd(3 nm)/CMS(5 nm)/NFO(0.8 nm)/Pd(3 nm)was obtained by adjusting the thickness of the CMS and NFO layers.F-mica substrate has a flatter surface than glass and Si/SiO₂ substrate.The magnetic anisotropy energy density(K_eff)of the sample deposited on F-mica substrates is 0.6711 Merg/cm³(1 erg=10^-7 J),which is about 30%higher than that of the multilayer films deposited on glass(0.475 Merg/cm³)and Si/SiO₂(0.511 Merg/cm³)substrates,and the R_Hall and H_C are also significantly increased.In this study,the NFO layer prepared by sputtering in the high purity Ar environment was exposed to the high purity O₂ atmosphere for 5 min,which can effectively eliminate the oxygen loss and oxygen vacancy in NFO,ensuring enough Co-O orbital hybridization at the interface of CMS/NFO,and thus effectively improve the sample PMA.     

Monolayer MoS2 of high mobility grown on SiO2 substrate by two-step chemical vapor deposition

We report a novel two-step ambient pressure chemical vapor deposition (CVD) pathway to grow high-quality MoS₂ monolayer on the SiO₂ substrate with large crystal size up to 110 μm. The large specific surface area of the pre-synthesized MoO₃ flakes on the mica substrate compared to MoO₃ powder could dramatically reduce the consumption of the Mo source. The electronic information inferred from the four-probe scanning tunneling microscope (4P-STM) image explains the threshold voltage variations and the n-type behavior observed in the two-terminal transport measurements. Furthermore, the direct van der Pauw transport also confirms its relatively high carrier mobility. Our study provides a reliable method to synthesize high-quality MoS₂ monolayer, which is confirmed by the direct 4P-STM measurement results. Such methodology is a key step toward the large-scale growth of transition metal dichalcogenides (TMDs) on the SiO₂ substrate and is essential to further development of the TMDs-related integrated devices.     

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.     

Luminescence study of pure and Fe- or Mo-doped ZnWO4 crystals

ZnWO₄, ZnWO₄:Fe and ZnWO₄:Mo crystals were investigated by the methods of time-resolved spectroscopy in the temperature range of 4.2–300 K. It is shown that the Mo and Fe impurities significantly reduce the light yield of ZnWO₄. The main 2.5 eV emission of ZnWO₄ and the 1.77 eV emission band of ZnWO₄:Mo are shown to originate from the triplet excited state of the WO₆ and MoO₆ complex, respectively. In ZnWO₄:Fe,Mo the MoO₆ emission band is shifted to lower energies due to the perturbing influence of the iron impurity. No perturbing effect of Fe or Mo ions was observed for the main emission of ZnWO₄:Fe and ZnWO₄:Mo. The creation spectrum of self-trapped holes was measured for ZnWO₄, ZnWO₄:Fe and ZnWO₄:Mo crystals in the energy region of 4–30 eV.     

SiO2/Si衬底上石墨烯的制备与结构表征

在分子束外延(MBE)设备中,利用直接沉积C原子的方法在覆盖有SiO₂的Si衬底(SiO₂/Si)上生长石墨烯,并通过Raman光谱和近边X射线吸收精细结构谱等实验技术对不同衬底温度(500℃,600℃,700℃,900℃,1100℃,1200℃)生长的薄膜进行结构表征.实验结果表明,在衬底温度较低时生长的薄膜是无定形碳,在衬底温度高于700℃时薄膜具有石墨烯的特征,而且石墨烯的结晶质量随着衬底温度的升高而改善,但过高的衬底温度会使石墨烯质量降低.衬底温度为1100℃时结晶质量最好.衬底温度较低时C原子活性较低,难以形成有序的C-sp²六方环.而衬底温度过高时(1200℃),衬底表面部分SiO₂分解,C原子与表面的Si原子或者O原子结合而阻止石墨烯的形成,并产生表面缺陷导致石墨烯结晶变差.     

层状氧化钼的电子结构、磁和光学性质第一原理研究

按照基于自旋密度泛函理论的赝势平面波第一原理计算方法,理论研究了两种层堆叠结构氧化钼(正交和单斜MoO_3)的电子结构、磁性和光学特性,探讨其作为电致变色材料或电磁材料在光电子器件中的技术应用.采用先进的半局域GGA-PW91和非局域HSE06交换相关泛函精确计算晶体结构和带隙宽度.计算得出较低密排面解离能,表明两种层状氧化钼的单片层很容易从体材料上剥落.能带结构和投影态密度分析表明:导带底和价带顶电子态主要来自于层平面方向成键的原子轨道,呈现典型的二维电子结构特征.无缺陷的MoO_3块体材料具有明显的磁矩,O空位会导致磁矩增加;由Mo原子和顶点氧原子产生的亚铁磁耦合磁矩是MoO_3层状材料磁性的主要来源;层状氧化钼在可见光区具有明显的光吸收响应,光吸收谱表现出显著的各向异性并在带电时发生明显的蓝移或形成新的低频可见光吸收峰.计算结果证明层状氧化钼具有明显的电致变色和磁控性能,为设计高性能电磁或光电子功能材料提供了理论依据和技术数据.