氧化钨纳米线气敏传感器的制备及其室温NO_2敏感特性

纳米结构的氧化钨有高比表面积和气体吸附能力,在气体传感器领域得到了广泛研究.本文采用磁控溅射金属钨薄膜和两步热氧化工艺在二氧化硅衬底上生长出氧化钨纳米线.通过改变第二步氧化温度,研究退火温度对氧化钨纳米线气敏特性的影响.采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱分析仪和透射射电子显微镜表征材料的微观特性和晶体结构,利用静态配气法测试气敏性能.研究结果表明,经过退火处理后氧化钨纳米线密度略微降低,300℃比400℃退火后的氧化钨结晶性差,对应的表面态含量多,有利于室温气体敏感性.测试NO_2的气敏性能,经过对比得出300℃退火温度下制备的氧化钨纳米线在室温下表现出较很好的气敏响应,对6 ppm(1 ppm=10~(-6))NO_2达到2.5,对检测极限0.5 ppm NO_2响应达1.37.氧化钨纳米线在室温下表现出反常的P型响应,是因为氧化钨纳米线表面被氧气吸附形成反型层,空穴取代电子成为主要载流子所致.     

基于密度泛函理论的CO2吸附微观机理比较研究

为探究吸附法捕获CO₂过程中的微观机理和吸附剂材料间的作用关系，基于密度泛函理论方法，综合比较了典型吸附剂包括煤基官能团、Fe、限域离子液体、Na₂CO₃、SrTiO₃与CO₂的吸附过程和差异性.根据不同计算策略，着重分析比较了吸附能、结构优化参数、吸附构型以及原子分布等参数.结果表明，化学吸附中CO₂分子与吸附面呈平行关系时通常吸附能最大；在一种材料的同类型官能团中，吸附能大小与氧原子的数量呈正相关关系；吸附过程中C-O键的伸长活化会生成一种重要的中间产物CO₂^-.提出在探寻CO₂吸附材料时可以在含氧原子较多的官能团、活性金属表面等方面进一步探究.最后对基于密度泛函理论的CO₂的吸附机理的进一步研究方向进行了展望.     

铁（Fe）原子改性石墨烯对沙林分子的吸附性质研究

利用第一性原理密度泛函理论,系统研究了本征石墨烯、单个Fe原子修饰石墨烯对沙林分子的吸附性质. 吸附能、电子态密度和密立根电荷密度等相关性质计算表明：本征石墨烯对沙林分子的吸附作用为弱的物理吸附；Fe原子的引入，明显增强了石墨烯基底对沙林的吸附作用，沙林分子态密度更加弥散，并且向低能方向移动，沙林分子与Fe改性石墨烯体系之间存在明显的电荷转移,吸附体系更加稳定. 相应工作的开展，为沙林毒剂分子的识别、防护提供了理论依据.     

氮原子修饰点缺陷石墨烯结构和性质的理论研究

氮原子掺杂石墨烯对基于石墨烯的器件和催化研究具有重要的应用价值.本文采用基于密度泛函理论的计算方法,研究了氮原子修饰的C-Bridge(碳原子吸附在石墨烯碳碳键桥位)、C-Top(碳原子吸附在石墨烯一个碳原子上方)和C7557(碳原子对吸附在石墨烯碳环上方)三种不同点缺陷类型的石墨烯物理性质.讨论不同缺陷石墨烯结构在用氮原子进行修饰前后体系的稳定性、电子结构等;计算得到了缺陷处原子的分波态密度(PDOS)图,分析了原子间的相互作用;模拟出氮原子修饰后缺陷石墨烯恒流模式的STM图像,以便和实验上得出的图像进行对比.计算结果表明,对于所选取的三种不同缺陷,氮原子能够较稳定地吸附在缺陷表面.C-Bridge和C-Top缺陷结构本身具有磁矩,经氮原子修饰后结构磁矩消失.与之相反,C7557缺陷结构本身没有磁矩,经氮原子修饰后缺陷体系带有磁矩.另外,C-Bridge和CTop两种不同缺陷结构石墨烯经过氮原子修饰后,体系几何结构变得完全一样.     

异性官能团修饰石墨烯吸附GIS特征气体能力的DFT研究

为研制高灵敏度气体绝缘组合开关(GIS)特征气体检测传感器，利用密度泛函理论方法，采用分子模拟软件对GIS特征气体(SO_2,SOF_2,SO_2F_2,CF_4)在异性官能团(羟基、羧基与氨基)修饰石墨烯表面的吸附过程进行模拟计算，从微观角度研究了GIS特征气体在异性官能团修饰石墨烯表面的吸附机理.首先计算了各吸附体系的吸附能、净电荷转移量以及态密度，比较了羟基与羧基修饰石墨烯对GIS特征气体的吸附能力;再通过分子前线轨道与能隙对吸附能力强弱的机理进行了研究，得出强吸附修饰官能团的规律性特征，并通过氨基石墨烯进行验证.结果表明:羧基与羟基修饰石墨烯能够有效提高对SO_2,SOF_2,SO_2F_2的吸附能力，但羧基石墨烯对GIS特征气体的整体吸附能力更强;异性官能团修饰石墨烯后的能隙及其与气体分子前线轨道能量差越小，对GIS特征气体吸附能力就越强，异性官能团修饰石墨烯的能隙与前线轨道能量差可以作为选择特征气体敏感材料的依据.     

Y掺杂空位石墨烯对NO及CO气体表面吸附的第一性原理研究

摘　要：基于第一性原理的计算方法，建立了本征石墨烯、空位石墨烯及钇( Y)掺杂空位石墨烯模型，并计算了CO、NO在三类石墨烯表面的吸附过程. 从表面能、吸附结构、吸附能和态密度四个方面进行分析讨论，研究掺杂Y对CO、NO气体吸附性能的影响. 结果表明：CO、NO与本征石墨烯之间的吸附为弱的物理吸附，掺杂Y后增强了材料表面对CO、NO的吸附效果，最大吸附能分别为7.414eV、6.702eV，属于化学吸附；掺杂Y使空位石墨烯费米能级附近有了更多的活跃电子，其吸附NO后体系由半金属转变为金属特性，该特性能为开发更加优良的石墨烯气敏材料提供理论支持.     

异性官能团修饰石墨烯吸附GIS 特征气体能力的DFT研究

为研制高灵敏度气体绝缘组合开关(GIS)特征气体检测传感器,利用密度泛函理论方法,采用分子模拟软件对GIS特征气体(SO_2,SOF_2,SO_2F_2,CF_4)在异性官能团(羟基、羧基与氨基)修饰石墨烯表面的吸附过程进行模拟计算,从微观角度研究了GIS特征气体在异性官能团修饰石墨烯表面的吸附机理.首先计算了各吸附体系的吸附能、净电荷转移量以及态密度,比较了羟基与羧基修饰石墨烯对GIS特征气体的吸附能力;再通过分子前线轨道与能隙对吸附能力强弱的机理进行了研究,得出强吸附修饰官能团的规律性特征,并通过氨基石墨烯进行验证.结果表明:羧基与羟基修饰石墨烯能够有效提高对SO_2,SOF_2,SO_2F_2的吸附能力,但羧基石墨烯对GIS特征气体的整体吸附能力更强;异性官能团修饰石墨烯后的能隙及其与气体分子前线轨道能量差越小,对GIS特征气体吸附能力就越强,异性官能团修饰石墨烯的能隙与前线轨道能量差可以作为选择特征气体敏感材料的依据.     

Li原子修饰笼型Si_6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Si_6和Li修饰的Si_6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,Si_6团簇最低能量构型为笼型结构,纯Si_6团簇不能有效吸附氢分子.Li原子的引入显著改善了Si_6团簇的储氢能力.以两个Li原子端位修饰Si_6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9.952 wt%.合适的吸附能和较高储氢密度表明Li修饰Si_6团簇有望成为理想的储氢材料.     

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.     

Rb原子修饰缺陷h-BN单层储氢性能的第一性原理研究

基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法,系统的研究了碱金属Rb原子修饰具有空位缺陷h-BN单层体系的储氢性能.发现Rb原子可稳定吸附在h-BN单层的B单空位缺陷(V_B)上,且Rb原子间无团簇倾向,单个Rb原子最多可稳定吸附5个H₂分子,H₂分子平均吸附能在0.18-0.21 eV范围内.电子结构分析表明H2分子主要通过极化机制和轨道杂化作用吸附在Rb修饰的缺陷h-BN单层体系上.Rb双侧修饰缺陷h-BN单层体系的理论储氢质量比可以达到5.0 wt%.基于范特霍夫方程和从头算分子动力学(AIMD)模拟对储氢体系的热力学稳定性进行了进一步的研究.     

WO_3(001)表面活性氧物种的理论研究

采用第一性原理结合周期性平板模型的方法,对O_2在完整和缺陷WO_3(001)表面的吸附行为进行了研究.结果表明:WO_3(001)完整表面上吸附态的O_2不易成为表面氧化反应的活性氧物种,当吸附质与表面作用时,将优先与表面晶格氧(O_t)成键,进而形成表面缺陷态,体系呈现金属性,电导率增大.比较O_2在缺陷表面上各吸附构型的吸附能发现,O_2的吸附倾向于发生在缺陷位置(W_v)上,且表现为氧气分子中的两个氧原子均与缺陷位W_v作用,形成新的活性氧物种(O_2~-);吸附后表面被氧化,电导率降低.     

表面增强拉曼光谱研究胞嘧啶在银胶上的吸附行为

为探讨胞嘧啶(Cytosine,Cy)在基底银表面的吸附特性和规律,采用表面增强拉曼散射(SERS)光谱对其吸附行为进行分析,并结合量子化学密度泛函理论(DFT)/B3LYP计算方法对Cy分子的常规拉曼光谱(NRS)及Cy与Ag团簇吸附的SERS光谱进行计算,与测定结果进行比对且对其拉曼峰进行系统指认及归属,理论计算结合实测值探讨了Cy在基底Ag上的增强效应和吸附行为。考察了Cy分子在Ag纳米粒子上的不同吸附时间、浓度、pH等条件对SERS光谱的影响及优化,发现pH影响最大,在中性和强碱性条件下的增强效应明显优于酸性。Cy分子存在2种不同的异构体和3种不同的存在形态,并随酸度变化相互转化而达动态平衡。基于Cy在不同pH时的形态分布和相应的SERS变化规律,结合DFT算得的Cy分子中的电荷分布及在银基底表面的吸附机制,详细探讨了酸碱对Cy分子的SRES光谱影响的内因和吸附机理,指出在中性和弱碱性时,是Cy中的N3和O与Ag形成配位吸附;在pH大于11时,N与Ag形成配位吸附,而O与Ag形成共价吸附。     

O2在Mo(001)表面吸附的第一原理研究

采用第一原理方法计算了O2分子在 Mo(001) 表面的吸附,得到了吸附构型的各种参数,并且计算了O2分子在 Mo(001) 表面4个位置（顶位,桥位,穴位垂直,穴位平行）吸附后的能量,结果表明在顶位吸附能最高。通过对O2分子在 Mo(001) 表面吸附的原子轨道电荷分布与态密度图的分析可以看出在吸附过程中主要是O原子的2p轨道电子与钼的4s和4d轨道电子的相互作用。     

O2在Mo(001)表面吸附的第一原理研究

采用第一原理方法计算了O2分子在 Mo(001) 表面的吸附,得到了吸附构型的各种参数,并且计算了O2分子在 Mo(001) 表面4个位置（顶位,桥位,穴位垂直,穴位平行）吸附后的能量,结果表明在顶位吸附能最高。通过对O2分子在 Mo(001) 表面吸附的原子轨道电荷分布与态密度图的分析可以看出在吸附过程中主要是O原子的2p轨道电子与钼的4s和4d轨道电子的相互作用。     

Adsorption Regularity and Characteristics of sp~3-Hybridized Gas Molecules on Anatase TiO_2(101) Surface

We report the anatase titanium dioxide(101) surface adsorption of sp~3-hybridized gas molecules,including NH_3,H_2O and CH_4,using first-principles plane-wave ultrasoft pseudopotential based on the density functional theory.The results show that it is much easier for a surface with oxygen vacancies to adsorb gas molecules than it is for a surface without oxygen vacancies.The main factor affecting adsorption stability and energy is the polarizability of molecules,and adsorption is induced by surface oxygen vacancies of the negatively charged center.The analyses of state densities and charge population show that charge transfer occurs at the molecule surface upon adsorption and that the number of transferred charge reduces in the order of N,O and C.Moreover,the adsorption method is chemical adsorption,and adsorption stability decreases in the order of NH_3,H_2O and CH_4.Analyses of absorption and reflectance spectra reveal that after absorbed CH_4 and H_2O,compared with the surface with oxygen vacancy,the optical properties of materials surface,including its absorption coefficients and reflectivity index,have slight changes,however,absorption coefficient and reflectivity would greatly increase after NH_3 adsorption.These findings illustrate that anatase titanium dioxide(101) surface is extremely sensitive to NH_3.     

TiC-和TiN-(001)表面吸附性能的密度泛函理论研究

基于密度泛函理论系统研究了碳化钛(TiC)和氮化钛(TiN)非极性(001)表面吸附气体分子和原子的性能。鉴于这些材料拥有不同的电子结构特征,发现受电子的CO分子或未饱和的O和H原子在TiC(001)和TiN(001)表面吸附于不同的活性位点,而供电子的NH3和H2O气体分子或完全饱和的O2和H2分子仅倾向与两个表面的金属原子位点结合。这些吸附特性可能与此类材料表面的电子结构有关。     

密度泛函理论研究碱金属原子在完美氧化镁(001)表面的吸附

基于平面波赝势法的密度泛函理论系统地研究了孤立碱金属原子(锂、钠、钾、铷、铯)在完美氧化镁(001)表面的吸附. 锂在氧位表面上的吸附能是0.72 eV,大约是其它碱金属的3倍. 锂和表面氧之间较强的相互作用主要是来源于共价键的作用,这可由态密度和差分电荷密度的分析所证实. 讨论碱金属在MgO(001)表面吸附的成键机理.     

三氧化钨表面氢吸附机理的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,在广义梯度近似下,研究了立方WO_3,WO_3(001)表面结构及其氢吸附机理.计算结果表明立方晶体WO_3理论带隙宽度为0.587 eV.WO_3(001)表面有WO终止(001)表面和O终止(001)表面两种结构,表面结构优化后W—O键长和W—O—W键角改变,从而实现表面弛豫;WO终止(001)表面和O终止(001)表面分别呈现n型半导体特征和p型半导体特征.分别计算了H原子吸附在WO终止(001)表面和O终止(001)表面的H—O_(2c)—H,H—O_(2c)…H—O_(2c),H—O_(1c)—H和H—O_(1c)…H—O_(1c)四种吸附构型,其中H—O_(1c)—H吸附构型的吸附能最小,H—O键最短,H失去电子数最多,分别为-3.684 eV,0.0968 nm和0.55e,此吸附构型最稳定.分析其吸附前后的态密度,带隙从吸附前的0.624 eV增加到1.004 eV,价带宽度基本不变.H的1s轨道电子与O的2p,2s轨道电子相互作用,在-8和-20 eV附近各形成了一个较强的孤立电子峰,两个H原子分别与一个O_(1c)原子形成化学键,最终吸附反应生成了一个H_2O分子,同时产生了一个表面氧空位.     

Effects of potassium on the adsorption of methanol on β-Mo2C(001) surface

We have studied the effect of K on the adsorption of methanol on the β-Mo₂C(001) surface and compared our experimental data with theoretical calculations. We have also performed high resolution electron energy loss spectroscopy (HREELS) (LK, ELS3000). For calculations we used the density functional theory under the VASP implementation. The most favorable sites for methanol adsorption are on top of a Mo atom in the clean surface and on top of a K atom in the pre-dosed surface. The changes in the work function fit our model as the surface withdraws charge from the adsorbate. The changes in the computed vibrational frequencies also agree with the HREELS results at very low coverage. The C–O bond distance increases while the O–H bond decreases making a C–O bond breakage a possibility on K covered surfaces.     

第一性原理研究氧空位对Ag在MgO(001)面吸附的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理研究方法,应用Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP),计算了氧空位对Ag原子在MgO(001)面吸附的影响．通过成键过程中电荷密度的变化以及电荷转移的讨论,从原子尺度上分析了MgO(001)面空位点Fs和Fs+对其吸附、聚集与成核属性的影响以及吸附的能量属性.结果表明,相对清洁的MgO表面而言,Ag原子吸附在O空位时,能够更牢固地与MgO表面结合,并吸引更多的Ag原子聚集在一起,形成一个个独立的Ag原子岛.