稀土掺杂对LiFePO_4性能影响的第一性原理研究

掺杂是提高LiFePO_4体相电子电导率,优化其电化学性能的重要方法之一.稀土元素因具有高的电子电荷、大的离子半径以及强的自极化能力,成为掺杂改性的重要选择.本文利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了稀土元素(La,Ce,Pr)掺杂的锂离子电池正极材料LiFePO_4的性质.计算结果表明,稀土元素掺杂均不同程度地增加了 LiFePO_4的晶格常数和晶胞体积.在脱锂过程中,稀土掺杂后材料体积变化率明显减小,材料的循环性能提升,但电池能量密度下降.稀土掺杂使LiFePO_4由原来的半导体特性转变为金属特性,增加了材料的电子电导率.力学特性的计算表明稀土显著增加了 LiFePO_4材料的延展性.另外,La和Ce掺杂后的LiFePO_4在Li离子迁移过程中表现出复杂的能垒变化,在远离稀土离子处迁移势垒呈现出不同程度的减小,而在靠近稀土离子处迁移势垒起伏较大.与Ce掺杂相比,La掺杂造成的离子迁移势垒的变化程度更大,表明稀土离子掺杂对体系局域结构产生较大的影响.     

高压下Ti_2AlX(X=C,N)的结构、力学性能及热力学性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算研究了压力对Ti_2AlC与Ti_2AlN结构、力学性能的影响.研究发现压力的增大会使体系的体积比降低,Ti_2AlC压缩性较Ti_2AlN好.力学性能研究发现,压力的增大使材料抵抗变形能力增强,体系的延展性有了很大的提升,当压力超过40 GPa后,Ti_2AlC与Ti_2AlN从脆性材料转变为延性材料,体模量与剪切模量的比值达到1.75,延展性有了很大的提升.通过准谐德拜模型,分析了压力与温度对Ti_2AlC与Ti_2AlN体模量、热容及热膨胀系数的影响.结果表明,随着温度的升高,Ti_2AlN与Ti_2AlC的体模量下降.定容热容与定压热容的变化趋势相同,但在高温下,定容热容遵循Dulong-Petit极限,温度对热容的影响效果较压力明显.温度与压力对Ti_2AlN与Ti_2AlC线膨胀系数的影响主要发生在低温区域.     

La掺杂3C-SiC电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对未掺杂及稀土材料La掺杂3C-SiC的电子结构和光学性质进行理论计算.计算结果表明,La掺杂引起3C-SiC晶格体积增大,掺杂体系能量更小,掺杂体系的结构更稳定;未掺杂3C-SiC是直接带隙半导体,其禁带宽度为1.406 eV,La掺杂后带隙宽度下降为1.161 eV,La掺杂3C-SiC引入了3条杂质能级,能量较高的1条杂质能级与费米能级发生交叠,另外2条杂质能级都在费米能级以下价带顶之上,La掺杂引起3C-SiC吸收谱往低能区移动,未掺杂3C-SiC的静态介电常数为2.66,La掺杂引起静态介电常数增加为406.01,La掺杂3C-SiC是负介电半导体材料.     

稀土La在α-Fe中占位倾向及对晶界影响的第一性原理研究

本文采用重合位置点阵理论构建了α-Fe的Σ3[110](112)对称倾转晶界模型,通过基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了稀土La元素在α-Fe中的占位倾向.结果表明,La在α-Fe晶界的杂质形成能最低,因而La原子倾向于占据晶界区;掺杂La前后的α-Fe晶界电子结构计算结果显示,La占位于α-Fe晶界会使体系中的电荷发生重新分配,将提供更多电子用于晶界区成键,使得Fe原子得到更多的电子,这将导致掺杂区原子间结合有离子化趋势,从而使La与晶界区相邻Fe原子之间的相互作用加强,也使晶界原子与晶界两侧Fe原子的键合加强,从能量角度解释了材料宏观力学性能变化的原因;计算同时发现,La加入后,也使晶界上的原子成键区态密度左移,降低了体系的总能量,使晶界结构更为稳定.     

稀土元素(La,Y)掺杂GaN的第一性原理计算

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,Y单掺杂和La和Y共掺杂GaN的晶格常数、电子结构及光学性质进行了计算与分析.计算结果表明:掺杂改变了GaN的能带结构,未掺杂和Y掺杂形成导带底和价带顶位于G点的直接带隙半导体,而La掺杂和La和Y共掺杂形成导带底位于G点,价带顶位于Q点的间接带隙半导体.可以通过掺杂元素来调制GaN的禁带宽度和带隙类型,掺杂均提高GaN在低能区的静态介电常数、反射率、折射率,使光子的跃迁强度增大,说明稀土元素La,Y掺杂可有效调制GaN的光电性质.     

La-Ce共掺杂锐钛矿TiO2的缺陷形成能和电子结构分析

采用基于密度泛函的第一性原理研究了稀土元素La、Ce共掺杂锐钛矿相TiO₂的缺陷形成能,缺陷电荷转变能级以及电子结构.研究发现,富氧状态下La、Ce掺杂以及La-Ce共掺的缺陷形成能均为负值,而贫氧状态下La、Ce掺杂形成能为正,表明La、Ce的掺杂TiO₂只能在氧气氛制备条件下进行;替代Ti掺杂缺陷电荷转变能级计算结果表明:0/1-的缺陷电荷转变能级分别位于VBM上面0.522 eV及2.440 eV处;与纯锐钛矿相TiO₂相比,La、Ce单掺杂以及La-Ce共掺杂均能减小TiO₂的禁带宽度,但共掺杂体系的禁带宽度更窄,因此共掺杂体系将更有利于提高TiO₂对可见光的响应能力和光催化性能.     

Mg,O共掺杂实现p型AlN的第一性原理研究

采用密度泛函理论下的第一性原理平面波超软赝势方法研究了纤锌矿本征AlN,Mg单掺杂AlN和Mg,O共掺杂AlN体系的晶格参数、能带结构、电子态密度、差分电荷密度及电子布居数.计算结果显示:在Mg,O共掺杂AlN体系中,激活施主O原子的引入能使受主能级降低,形成浅受主掺杂.同时,体系的非局域化特征显著,受主能带变宽.因而提高了Mg原子的受主掺杂浓度和系统的稳定性.Mg,O共掺杂更有利于制备p型AlN.     

用GGA+U法研究稀土掺杂对ZnO电子结构磁性和光学性质的影响

基于自旋密度泛函理论框架下的广义梯度近似平面波模守恒赝势方法,确定了准确计算Zn_(16)O_(16)超晶胞各原子对应的U值;通过计算形成能和化学键的布局分析了掺杂结构的稳定性;通过原子电荷布局和自旋电子态密度的计算分析了掺杂结构的能带结构和磁性状态;讨论了各稀土原子掺杂对ZnO吸收光谱的影响.结果表明:稀土元素的引入使晶格膨胀,Zn-O键最长键增大而最小键减小,导致氧四面体畸变;Y/La/Ce掺杂的ZnO具有亚铁磁性,Th掺杂ZnO则呈弱铁磁性,Ac掺杂ZnO为顺磁体;稀土元素使ZnO的价带和导带下移,费米能级进入导带,增强了体系的电导率;Y/La/Ac掺杂对ZnO带隙宽度的影响较小,吸收光谱略微蓝移,而Ce/Th掺杂则有效提升了ZnO对可见光的吸收.     

稀土La在$lt;em$gt;α$lt;/em$gt;-Fe中占位倾向及对晶界影响的第一性原理研究

本文采用重合位置点阵理论构建了 α-Fe的Σ3[110]（112）对称倾转晶界模型,通过基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了稀土La元素在 α-Fe中的占位倾向. 结果表明,La在 α-Fe晶界的杂质形成能最低,因而La原子倾向于占据晶界区;掺杂La前后的 α-Fe晶界电子结构计算结果显示,La占位于 α-Fe晶界会使体系中的电荷发生重新分配,将提供更多电子用于晶界区成键,使得Fe原子得到更多的电子,这将导致掺杂区原子间结合有离子化趋势,从而使La与晶界区相邻Fe原子之间的相互作用加强,也使晶界原子与晶界两侧Fe原子的键合加强,从能量角度解释了材料宏观力学性能变化的原因;计算同时发现,La加入后,也使晶界上的原子成键区态密度左移,降低了体系的总能量,使晶界结构更为稳定. 关键词： La α-Fe')" href="#">α-Fe 晶界 第一性原理     

稀土(La/Ce/Pr/Nd)掺杂锐钛矿相TiO_2磁性及光催化活性的第一性原理研究

采用密度泛函理论下的平面波赝势方法,建立了未掺杂锐钛矿TiO_2和La/Ce/Pr/Nd单掺杂的锐钛矿TiO_2模型.几何优化后,通过计算形成能分析了掺杂结构的稳定性;通过自旋电子态密度的计算分析了各个掺杂模型的磁性状态,并采用比较磁性基态能量的方法对分析结果加以验证;讨论了各稀土元素掺杂对锐钛矿能带结构和吸收光谱的影响.结果表明:La/Pr掺杂的锐钛矿TiO_2具有亚铁磁性,Nd掺杂的锐钛矿具有反铁磁性,Ce掺杂锐钛矿为顺磁体;Ce掺杂对锐钛矿能带结构影响较小,吸收光谱红移不明显,而La/Nd掺杂则能有效提升锐钛矿对可见光的吸收系数,Pr掺杂能使锐钛矿TiO_2在红外光区出现吸收峰.     

稀土Gd掺杂新型二维材料磷烯改性研究

本文采用第一性原理赝势平面波法, 计算并分析了稀土Gd掺杂磷烯的物理结构、电子结构、磁性以及光学性质. 计算表明: 在掺杂原子Gd附近引起了磷烯物理结构上的变化. 能带数量明显增多变密, 带隙变窄由0.921eV变为0.578eV. 同时, 由于Gd原子的4f和5d轨道电子两种自旋取向分布具有不对称性, 给体系引入了强磁性, 计算得到的自旋磁矩为7.470B. 磷烯材料的复介电函数是各向异性的, 同时可以得出磷烯材料在其它光学性质方面也是各向异性的. Gd掺杂后使材料的介电性能增强. 在紫外光的能量范围内, 不同极化方向上的反射率和损失函数的峰值降低, 说明Gd的掺入使材料对紫外光的敏感度有所减弱. 希望以上研究结果能为新型二维材料磷烯在光电和稀磁半导体材料的设计与开发方面提供理论依据.     

La,Ce,Nd掺杂对单层MoS_2电子结构的影响

为了研究稀土掺杂对单层MoS2电子结构的影响,文章基于密度泛函理论框架下的第一性原理,采用平面波赝势方法分别计算了本征及La,Ce,Nd掺杂单层MoS2的晶格参数、能带结构、态密度和差分电荷密度.计算发现,稀土掺杂所引起的晶格畸变与杂质原子的共价半径大小有关,La杂质附近的键长变化最大,Nd杂质附近的键长变化最小.能带结构分析表明,La掺杂可以在MoS2的禁带中引入3个能级,Ce掺杂可以形成6个新能级,Nd掺杂可以形成4个能级,并对杂质能级属性进行了初步分析.差分电荷密度分布显示,稀土掺杂可以使单层MoS2中的电子分布发生改变,尤其是f电子的存在会使差分电荷密度呈现出反差极大的物理图象.     

La、Ce掺杂ZnO纳米晶的发光特性

共沉淀法制备了稀土镧、铈掺杂的ZnO半导体纳米晶。X射线衍射(XRD)结果表明:掺杂的ZnO纳米晶为六方纤锌矿结构,随掺杂浓度增加ZnO粒径减小。对铈掺杂纳米ZnO,以波长380nm激发,在443nm处出现了半峰宽较窄的强的蓝光发射峰;镧掺杂ZnO纳米晶则为从418~610nm的多峰宽带发射。     

W-Cu合金力学性能的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理分析方法的CASTEP软件,计算了W-Cu_x(x=6.25,12.5,18.75,25,31.25,37.5,43.75,50)合金的晶格参数、体模量、剪切模量、杨氏模量等力学常数,还计算了焓变值、能带结构、电子态密度和电荷布局,研究Cu不同含量对W-Cu合金力学性能的影响.结果表明：Cu的添加会增加W基体触头材料的可塑性,韧性大小随着Cu含量的升高而增加,在掺杂比例为43.75%时达到最大值,韧性增加使得产生微裂纹的概率减小;另外还计算了W-Cu合金的态密度、能带结构和电荷布局,结果表明随着Cu含量的增加,共价性降低,金属性增强,便于加工成型.     

掺稀土元素(Y，La)的γ-Si3N4的电子结构和光学性质

采用基于密度泛函的平面赝势方法(PWP)和广义梯度近似(GGA)，计算了未掺杂和掺杂稀土(Y，La)的γ-Si₃N₄中N-Y(La)键的布居值和它们的键长、掺杂后能带结构和态密度.发现掺杂后的带隙要减小，并且可能形成新的半导体，这将为找到新的半导体提供一个方向.还进一步研究了掺杂稀土(Y，La)后的光学性质，掺杂后有更高的静态介电常数，可以作为新的介电材料和好的折射材料，这对于一定的光学元件有潜在的应用前景.     

掺杂BaHfO3电子结构与力学性能的第一性原理研究

在广义梯度近似（GGA）下,采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了掺杂对BaHfO3的电子结构与力学性能的影响．电子结构计算表明：优化的BaHfO3晶格常数与实验值吻合较好,BaHfO3为一种间接带隙的绝缘体材料．掺杂Sr和Ti后该材料仍为间接带隙材料,Ba0.5Sr0.5HfO3的带隙增大,绝缘体特征增强,而BaHf0.5Ti0.5O3的带隙显著减小,呈现出半导体材料的特征．由态密度分析可知,掺杂后带隙的变化主要是由于导带底的移动造成的．力学性能分析表明：与BaHfO3相比,Ba0.5Sr0.5HfO3的剪切模量和杨氏模量均明显减小,材料硬度减弱;BaHf0.5Ti0.5O3的剪切模量及杨氏模量均明显增大,材料硬度增强．电子密度分布分析揭示了掺杂改变体系价电子浓度的分布情况,使BaHfO3的价健特性发生了变化,这是材料硬度改变的内在原因．可见,掺杂能够有效地调控体系的硬度,该研究结果为掺杂BaHfO3力电材料的设计与应用提供了理论依据．     

稀土（Ce,Gd）掺杂CdS的第一性原理研究

采用第一性原理赝势平面波法中的LDA+U的方法对稀土(Ce,Gd)掺杂CdS的光电性质进行了计算与分析. 结果表明: Ce, Gd掺杂后, CdS的晶格常数增大, 费米面附近的能带明显增多、变密, 禁带宽度有所增大. Ce和Gd的f态的强局域性使体系产生磁有序性. 稀土掺杂后CdS的静态介电常数增大而反射率明显降低. 以上结果表明稀土元素的掺入能有效调制CdS的光电性质.     

稀土(Ce,Gd)掺杂CdS的第一性原理研究

采用第一性原理赝势平面波法中的LDA+U的方法对稀土(Ce,Gd)掺杂CdS的光电性质进行了计算与分析.结果表明:Ce,Gd掺杂后,CdS的晶格常数增大,费米面附近的能带明显增多、变密,禁带宽度有所增大.Ce和Gd的f态的强局域性使体系产生磁有序性.稀土掺杂后CdS的静态介电常数增大而反射率明显降低.以上结果表明稀土元素的掺入能有效调制CdS的光电性质.