氯原子在Cu(111)表面的吸附结构和电子态

密度泛函理论(DFT)总能计算研究了不同覆盖度下氯原子在Cu(111)表面的吸附结构和表面电子态。计算结果表明,清洁Cu(111)表面自由能 为15.72 ,表面功函数φ为4.753eV。在1/4ML和1/3ML覆盖度下,每个氯原子在Cu(111)表面fcc谷位的吸附能分别等于3.278eV/atom和3.284eV/atom。在1/2ML覆盖度下,两个紧邻氯原子分别吸附于fcc和hcp谷位,氯原子的平均吸附能为2.631eV/atom。在1/3ML覆盖度下,fcc和hcp两个位置每个氯原子吸附能的差值约为2meV/atom,与正入射X光驻波实验结合蒙特卡罗方法得到结果(<10meV/atom)基本一致。在1/4ML、1/3ML和1/2ML覆盖度下,吸附后Cu(111)表面的功函数依次为5.263eV、5.275eV和5.851eV。吸附原子和衬底价轨道杂化形成的局域表面电子态位于费米能级以下约1.2eV、3.6eV和4.5eV等处。吸附能和电子结构的计算结果表明,氯原子间的直接作用和表面铜原子紧邻氯原子数目是决定表面结构的两个重要因素。     

覆盖度对S原子在Ir(001)表面吸附性质的影响

采用第一性原理方法模拟了覆盖度对S原子在Ir(001)表面吸附能和电子结构的影响。结果表明：在覆盖度0.50 ML以下，S原子吸附在Hollow空位最稳定，且吸附能几乎不随覆盖度变化；在覆盖度0.66 ML以上吸附能随覆盖度增加而减小。吸附体系金属表面d带电子结构随覆盖度变化与O/Pt(111)吸附体系相似。这些结果与Hammer-Nørskov模型吻合。     

覆盖度对S原子在Ir(001)表面吸附性质的影响

采用第一性原理方法模拟了覆盖度对S原子在Ir(001)表面吸附能和电子结构的影响。结果表明：在覆盖度0.50 ML以下,S原子吸附在Hollow空位最稳定,且吸附能几乎不随覆盖度变化;在覆盖度0.66 ML以上吸附能随覆盖度增加而减小。吸附体系金属表面d带电子结构随覆盖度变化与O/Pt(111)吸附体系相似。这些结果与Hammer-Nørskov模型吻合。     

氧在Nb(110)表面吸附的第一性原理研究

通过第一性原理赝势平面波方法研究了氧在Nb(110)表面的吸附性质随覆盖度变化规律. O在Nb(110)表面最稳定吸附位是洞位,次稳定吸附位是长桥位. 在长桥位吸附时, O诱导Nb(110)表面功函数随覆盖度的增加而几乎线性增加;但当O在洞位吸附时, 与干净Nb表面相比, 覆盖度为0.75 ML和1.0 ML时功函数增加, 而覆盖度为0.25 ML和0.5 ML时功函数减小.通过对面平均电荷密度分布和偶极矩变化的讨论, 解释了由吸附导致功函数复杂变化的原因.通过对表面原子结构和态密度分析, 讨论了O在Nb表面吸附时引起表面原子结构变化以及O和Nb(110)表面原子的相互作用.     

S在Cu(111)表面吸附的第一性原理研究*

基于广义梯度近似的投影缀加平面波(Projector augmented wave) 赝势和具有三维周期性边界条件的超晶胞模型,采用第一原理方法计算并分析了由于S吸附所形成的S/Cu(111)界面体系的吸附结构、吸附能和局域电子结构,考虑了不同覆盖度（1,0.25ML）下S在不同吸附位置的吸附特性. 结果表明：S原子倾向于吸附在高对称的fcc位与hcp位;由于S的负电性而使S/Cu吸附能随覆盖度的减小而增加, 与之相应,S-Cu键长随覆盖度的减小而缩短. DOS图、Bader电荷分析表明杂化主要发生在S的3p态和表面Cu原子的3d态之间,表层近邻的Cu原子向S转移的电子数随覆盖度增加而减小,这表明S与Cu(111)面有强的相互作用.     

6H-SiC(0001)-6√3×6√3R30°重构表面的同步辐射角分辨光电子能谱研究

利用同步辐射角分辨光电子能谱(SRARPES)对6H-SiC(0001)-6√3×63√R30°重构表面的电子结构和表面态进行了研究.通过鉴别价带谱中来自于体态的信息,可以推断出重构表面的费米能级位于体态价带顶之上(2.1±0.1)eV处.实验测出的体能带结构与理论计算的结果较为符合.在重构表面上发现三个表面态,分别位于结合能-0.48 eV(S0),-1.62 eV(S1)和-4.93 eV(S2处.沿着表面布里渊区的高对称线ΓKM方向,测量了相关表面态的能带色散,只有表面态S0(-0.48 eV)表现出了所希望的6√3×6√3 R30°重构周期性.根据实验现象,可以认为,表面态S0应归结于重构表面的C-C悬键,而表面态S1则由重构表面未钝化的C悬键所导致.     

H_2S,HS自由基以及S原子在Fe(111)表面吸附的密度泛函研究

采用广义梯度近似下的密度泛函理论方法,研究了不同覆盖度下H2S,HS自由基以及S原子在Fe(111)表面的吸附结构和吸附特性,计算了吸附能、功函数、差分电荷密度、态密度和电荷布居,讨论了覆盖度对表面吸附的影响作用,对比分析了H2S,HS自由基,S在Fe(111)表面的吸附强弱.研究结果表明:随着覆盖度的增大,吸附物与表面的作用力逐渐减弱;H2S,HS自由基,S三者与Fe(111)表面的作用力大小依次为:H2SHSS,表面容易形成FexSy腐蚀产物膜,只是随着覆盖度的不同,其致密度将发生变化.各吸附物在低指数晶面上的吸附结果表明:Fe(111)面吸附作用最强,而Fe(110)和Fe(100)吸附作用相对较弱,二者吸附能相差不大.     

单层MoS_2吸附X_3(X=Cu,Ag,Au)团簇电子结构的第一性原理计算

本文基于第一性原理方法采用密度泛函理论研究了单层MoS_2吸附Cu_3,Ag_3,Au_3团簇的稳定性、能带结构和态密度.通过研究发现单层MoS_2在S位吸附Cu_3,Ag_3,Au_3团簇稳定性强于在Mo位吸附;Cu_3,Ag_3,Au_3团簇在单层MoS_2表面吸附产生3条杂质能级,分别是Cu、Ag、Au原子与S形成共价键下的形成了施主能级与受主能级;Cu,Ag、Au拥有良好的金属性致使单层MoS_2向导体转变.吸附体系的态密度在低能区主要来源于S的3s、Mo的5s以及Cu、Ag、Au的3d、4d、5d轨道的贡献;能量值在-7.5eV~-1eV范围内Cu、Ag、Au的d轨道与S的p发生杂化,形成了较高的态密度峰值.费米能附近的电荷分布主要于Mo-S、Cu-S、Ag-S、Au-S的成键方向.     

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.     

O在Au(111)表面吸附的密度泛函理论研究

应用密度泛函理论，本文系统地研究了O在Au(111)表面上的吸附能、吸附结构、功函数、电子密度和投影态密度，给出了覆盖度从0.11ML到1.0ML的范围内，O的吸附特性随覆盖度变化的规律.研究发现O的稳定吸附位为3重面心立方(fcc)洞位，O在fcc洞位的吸附能对覆盖度比较敏感，其值随着覆盖度的增加而减小；O诱导Au(111)表面功函数的变化量与覆盖度成近线性关系，原因是Au表面电子向O偏移，形成表面偶极子；O—Au的相互作用形成成键态和反键态，且反键态都被占据，造成O—Au键很弱，O吸附能较小. 关键词： 表面吸附 Au(111)表面 密度泛函理论 电子特性     

N2H4在NiFe(111)合金表面吸附稳定性和电子结构的第一性原理研究

采用基于色散校正的密度泛函理论进行了第一性原理研究, 详细分析了肼(N₂H₄)在Ni₈Fe₈/Ni(111)合金表面稳定吸附构型的吸附稳定性和电子结构及成键性质. 通过比较发现, 肼分子以桥接方式吸附在表面的两个Fe原子上是最稳定的吸附构型, 其吸附能为-1.578 eV/N₂H₄. 同时发现, 肼分子在这一表面上吸附稳定性的趋势为: 桥位比顶位吸附更有利, 且在Fe原子上比在Ni原子上的吸附作用更强. 进一步分析了不同吸附位点上稳定吸附构型的电子结构、电荷密度转移以及电子局域化情况. 结果发现: 相同吸附位点的电子态密度图基本一致, 并且N原子的p轨道和与之相互作用的表面原子的d轨道之间存在态密度上的重叠; 吸附后电荷密度则主要从肼分子转移到表面原子之上; 在电子局域化函数切面图中也发现吸附后电子被局域到肼分子的N原子和相邻的表面原子之间. 这些电子结构的表征都充分说明肼分子与表面原子之间通过电荷转移形成了强烈的配位共价作用.     

Cu/CeO2(110)界面特性的第一性原理研究

Cu-CeO₂体系因其特殊的催化能力而在固体氧化物燃料电池和水煤气转化反应等多个催化领域有重要应用. 采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 在原子和电子层面上系统地研究了单个Cu原子及Cu小团簇在CeO₂(110)面上的吸附构型, 价键特性和电子结构, 结果表明: 1) 单个Cu原子的最稳定吸附位是两个表面O的桥位; 2) Cu团簇的稳定吸附构型为扭曲的四面体结构; 3) Cu原子及Cu团簇的吸附在CeO₂(110)面的gap区域引入了间隙态, 这些间隙态主要来自于Cu及其近邻的O和表层还原形成的Ce³⁺, 间隙态的出现表明Cu的吸附增强了CeO₂(110)表面的活性; 4) 吸附的单个Cu原子及Cu团簇分别被CeO₂(110)面表层的Ce⁴⁺离子氧化形成了Cu^δ+和Cu₄^δ+, 并伴随着Ce³⁺离子的形成, 这个反应可归结为Cu_x/Ce⁴⁺→Cu_x^δ+/Ce³⁺; 5) Cu团簇的吸附比Cu单原子的吸附引入了更多的Ce³⁺离子, 进而形成了更多的Cu^δ+-Ce³⁺催化活性中心. 结合已报道的Cu/CeO₂(111)界面特性, 更加全面地探明了Cu与CeO₂(111)和(110)两个较稳定低指数表面的协同作用特性, 较为系统地揭示了Cu增强CeO₂催化特性的原因及Cu与CeO₂协同作用的内在机理. 关键词： 2')" href="#">Cu/CeO₂ U')" href="#">DFT+U 吸附 电子结构     

铜锌锡硫薄膜材料及其器件应用研究进展

铜锌锡硫薄膜材料组成元素储量丰富, 环境友好, 成本低廉, 成为最具前景的薄膜材料之一. 目前, Cu₂ZnSn(S, Se)₄ (CZTSSe)薄膜太阳电池的最高转换效率已经达到12.6%. 本文总结了Cu₂ZnSnS₄ (CZTS)的发展历史, 依次介绍了CZTS薄膜材料的结构特性、光学特性、电学特性、界面特性和Na对CZTS 薄膜的影响, 详细介绍了CZTS薄膜的制备方法及器件应用的最新研究进展, 总结了目前CZTS薄膜太阳电池发展中存在的问题, 展望了今后的研究方向.     

多元半导体光伏材料中晶格缺陷的计算预测

半导体光伏材料的发展在过去60多年中表现出了清晰的多元化趋势. 从20世纪50年代的一元Si太阳能电池, 到20世纪60年代的GaAs和CdTe电池、70年代的CuInSe₂电池、80年代的Cu(In, Ga) Se₂、90年代的Cu₂ZnSnS₄电池, 再到最近的Cu₂ZnSn(S, Se)₄和CH₃NH₃PbI₃电池, 组成光伏半导体的元素种类从一元逐渐增多到五元. 元素种类的增多使得半导体物性调控的自由度增多, 物性更加丰富, 因而能满足光伏等器件应用的需要. 但是, 组分元素种类的增多也导致半导体中晶格点缺陷的种类大幅增加, 可能对其光学、电学性质和光伏性能产生显著影响. 近20年来, 第一性原理计算被广泛应用于半导体中晶格点缺陷的理论预测, 相对于间接的实验手段, 第一性原理计算具有更加直接的、明确的优势, 并且能对各种点缺陷进行快速的研究. 对于缺陷种类众多的多元半导体体系, 第一性原理计算能预测各种点缺陷的微观构型、浓度和跃迁(离化)能级位置, 从而揭示其对光电性质的影响, 发现影响器件性能的关键缺陷. 因而, 相关的计算结果对于实验研究有直接、重要的指导意义. 本文将首先介绍半导体点缺陷研究的第一性原理计算模型和计算流程; 然后, 总结近5年来两类新型光伏半导体材料, 类似闪锌矿结构的Cu₂ZnSn(S, Se)₄半导体和有机-无机杂化的钙钛矿结构CH₃NH₃PbI₃半导体的点缺陷性质; 以这两类体系为例, 介绍多元半导体缺陷性质的独特特征及其对太阳能电池器件性能的影响.     

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.     

Li掺杂对MgH2(001)表面H2分子扩散释放影响的第一性原理研究

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理分别研究了MgH₂(001)表面H原子扩散形成H₂分子释放出去的可能路径及金属Li原子掺杂对其影响. 研究结果表明: 干净MgH₂(001)表面第一层释放H原子形成H₂分子有两种可能路径, 其释放能垒分别为2.29和2.50 eV; 当将Li原子替代Mg原子时, 两种H原子扩散释放路径的能垒分别降到了0.31和0.22 eV, 由此表明Li原子掺杂使MgH₂(001)表面H原子扩散形成H₂释放更加容易.     

Cu2ZnSnS4晶界性质与光伏效应的第一性原理研究

本文应用第一性原理电子结构计算方法研究了锌黄锡矿Cu₂ZnSnS₄ (CZTS)晶界的性质: 包括微结构和电子结构及其对光伏效应的影响. 计算结果表明: 从p-n结区扩散过来空穴可以翻越一定势垒后被晶界俘获, 晶界进一步提供载流子扩散的快速通道, 使得这些空穴可以快速运动到阳极. 少数载流子电子在晶界中心区附近感受到很高的静电势垒, 但其高势垒两侧存在的势阱可以束缚少量电子. 对多数载流子空穴, 晶界中心则是势阱, 势阱两边有阻止空穴扩散到晶界中心的势垒. 由于CZTS晶体的易解理面是(112), 晶界面与(112)面平行的扭转晶界∑ 3^*[221]和∑ 6^*[221] 等不破坏原有晶体的基本结构, 它们的晶界能很小, 而且其电子结构与晶体内部基本相同, 因此尽管它们大量存在于CZTS材料中, 但是对材料性质仅有很小的影响. 通过比较晶体、晶界、空腔的表面和纳米棒的电子结构和光吸收系数, 我们可以看出: 这些微结构会在带隙内引入新的能级(复合中心), 同时高的孔隙率会降低(大于1.3 eV)光的吸收系数, 因此提高CZTS薄膜的致密度是提高CZTS太阳能电池效率关键.     

四元硫化物Cu2Zn(Ti,Zr, Hf)S4:一类新颖光伏材料

采用第一性原理电子结构方法研究了四价过渡金属Ti, Zr和Hf替代Cu₂ZnSnS₄(CZTS)中Sn原子以及Se替代S原子所得到的四元硫族化合物的电子结构、光学性质和晶体结构的稳定性. 实验上用Se替代CZTS中部分S得到的Cu₂ZnSnS_4-xSe_x(CZTSSe)作为光吸收材料, 可以进一步提高光伏效率. 我们计算表明用Se替代S后, CZTSe的价带顶明显下移, 并接近Cu(In, Ga) Se₂ (CIGS)价带顶位置. 与CZTSe的电子结构特征一样, Cu₂Zn(Ti, Zr, Hf)S₄四元硫化物的价带顶与母体材料CZTS相比也向低能移动, 并接近CIGS价带顶位置. 由于高光伏效率要求窗口材料ZnO、缓冲层材料和光吸收材料的价带顶和带隙满足一定的渐进的变化关系, 因此可以预见用Cu₂Zn(Ti, Zr, Hf)S₄作光吸收材料可以有效地提高甚至接近CIGS的光伏效率. 通过计算弹性常数和声子谱, 以及有限温度下第一性原理分子动力学模拟, 发现Cu₂Zn(Ti, Zr, Hf)S₄的结构稳定性与CZTS相近. 进一步计算Cu₂Zn(Ti, Zr, Hf)S₄与不同缓冲层间和窗口材料与缓冲层间的反射系数, 并讨论了ZnSe, In₂S₃, ZnS作为缓冲层材料和TiO₂作为窗口材料对光伏效率可能的影响.     

Li修饰的C$lt;sub$gt;6$lt;/sub$gt;分子对H$lt;sub$gt;2$lt;/sub$gt;O的吸附研究

采用密度泛函理论中的广义梯度近似研究C₆Li吸附H₂O分子并将之进行分解的催化过程. 几何优化发现：Li原子最稳定的吸附位置是位于C 原子顶位上方. 研究表明,第一个H₂O 分子吸附在C₆Li上需要克服1.77 eV的能量势垒,然后分解为H和OH且与Li原子成键. 当吸附第二个H₂O分子时,第二个H₂O分子需要克服1.2 eV的能量势垒分解为H和OH,其中H与Li原子上的H原子结合成H₂,OH则替代Li 原子上的H结合在Li原子上. 因此C₆Li 可以作为催化剂将H₂O分子进行分解得到H₂. 分析可知：C₆Li主要是通过Li原子与H₂O之间形成的偶极矩作用来吸附H₂O 分子,与C₆₀Li₁₂ 的储氢机制类似. 研究结果可为储氢材料的制备提供一个新的思路. 关键词： 6')" href="#">C₆ Li 2O')" href="#">H₂O 密度泛函理论     

光催化半导体Ag$lt;sub$gt;2$lt;/sub$gt;ZnSnS$lt;sub$gt;4$lt;/sub$gt;的第一性原理研究

通过基于密度泛函理论的第一性原理计算, 对光催化水解半导体Ag₂ZnSnS₄的改性方案做了理论研究. 在与同类化合物的带边位置比较后发现, Cu与Ge共掺杂能够在Ag₂ZnSnS₄中实现禁带宽度和带边位置的双重调节, 从而使其能带结构优化到光催化水解最为理想的状态. 另外, CuGaSe₂ 可与Ag₂ZnSnS₄形成type-Ⅱ型带阶结构, 制备它们的异质结同样可用于提升其光催化水解性能. 关键词： 光催化半导体 2ZnSnS₄')" href="#">Ag₂ZnSnS₄ 带阶 电子结构优化