基于第一性原理的霍山石斛中有效成分石斛酚的机理分析

使用Materials Studio软件中的量子化学模块CASTEP以及DMol3对石斛酚分子进行电子结构及光学性质的研究,得到了一些有意义的计算结果:导带和价带主要来源于C原子2p轨道和O原子2p轨道的杂化.其机理分析为:(1)由能带结构计算得到的能隙4.10(eV)比实验值4.13(eV)要偏小;(2)通过吸收光谱的吸收边计算得出的能隙为3.63(eV),比计算能带结构得到的结果要小;(3)吸收光谱主要集中在低能区,跃迁峰主要发生在0.15-0.25(Ha)能量区间,吸收的位置主要为苯环上的C原子及与之相连的O原子.通过解析光合作用相关的石斛酚分子精细结构,并结合功能实验,透析石斛酚的物理机理,从而有助于探寻霍山石斛光合作用的过程及机理.     

Sb,S共掺杂SnO2电子结构的第一性原理分析

基于第一性原理的密度泛函理论和平面波超软赝势法,采用广义梯度近似算法研究了Sb,S两种元素共掺杂SnO₂材料的电子结构与电学性质.电子结构表明：共掺杂后材料仍然为n型导电直接带隙半导体;电荷密度分布改变,S原子与Sn,Sb原子轨道电子重叠加剧.能带结构表明,Sb,S共掺SnO₂在能带中引入新的能级,能带带隙相比于单掺更加窄化,费米能级进入导带表现出类金属特性.电子态密度计算结果进一步证实了电子转移的正确性：在价带中部,S原子轨道与Sn,Sb轨道发生杂化,电子转移加剧,价带顶部被S 3p轨道占据,提供了更多的空穴载流子,价带顶上移;随着S掺杂浓度的增加,带隙宽度继续减小,导带逐渐变窄,导电性能呈现越来越好的趋势.     

氧化石墨烯纳米带能带结构和态密度的第一性原理研究

基于密度泛函理论,采用第一性原理方法,计算了氧化石墨烯纳米带的电荷密度、能带结构和分波态密度。结果表明,石墨烯纳米带被氧化后,转变为间接带隙半导体,带隙值为0.375 e V。电荷差分密度表明,从C原子和H原子到O原子之间有电荷的转移。分波态密度显示,在导带和价带中C-2s、2p,O-2p,H-1s电子态之间存在强烈的杂化效应。在费米能级附近,O-2p态电子局域效应的贡献明显,对于改善氧化石墨烯纳米带的半导体发光效应起到了主要作用。     

N-M(Cd,Mg)共掺闭口氧化锌纳米管场发射第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 分别研究了N掺杂和N-M(Cd, Mg)共掺(9, 0)型闭口氧化锌纳米管(ZnONT)的几何结构和场发射性能.结果表明: N原子能够提高体系帽端结构的稳定性; 随外加电场增强, 体系的态密度向低能方向移动, 最高占据分子轨道(HOMO)-最低未占据分子轨道(LUMO)能隙及有效功函数变小, 电荷向帽端聚集程度愈高. 体系态密度/局域态密度, HOMO/LUMO, 能隙及Mulliken电荷分析一致表明, N-Cd共掺可提高ZnONT的场发射性能, N-Mg共掺反而抑制其电子发射. 关键词： 第一性原理 ZnO纳米管 场发射 共掺杂     

分子空位缺陷对环三亚甲基三硝胺含能材料几何结构、电子结构及振动特性的影响

含能材料中的微观缺陷是导致“热点”形成并相继引发爆轰的重要因素. 然而, 由于目前人们对材料内部微观缺陷的认识不足, 限制了对含能材料中“热点”形成微观机理的理解, 进而阻碍了含能材料的发展和应用. 为了洞悉含能材料内部微观缺陷特性及探索缺陷引发“热点”的形成机理, 利用第一性原理方法研究了分子空位缺陷对环三亚甲基三硝胺(RDX) 含能材料的几何结构、电子结构及振动特性的影响, 探讨了微观缺陷对初始“热点”形成的基本机理. 采用周期性模型分析了分子空位缺陷对RDX几何结构、电子能带结构、电子态密度及前线分子轨道的影响. 采用团簇模型分析了分子空位缺陷对RDX振动特性的影响. 结果发现, 分子空位缺陷的存在使其附近的N–N键变长, 分子结构变得松弛; 使导带中很多简并的能级发生分离, 电子态密度减小, 并使由N-2p和O-2p轨道形成的导带底和价带顶均向费米面方向移动, 降低了能带隙值, 增加了体系活性. 前线分子轨道及红外振动光谱的计算分析表明, 分子缺陷使最高已占分子轨道电荷主要集中在缺陷附近的分子上, 且分子中C–H键和N–N键能减弱. 这些特性表明, 分子空位缺陷的存在使体系能带隙变小, 并使缺陷附近的分子结构松弛, 电荷分布增多, 反应活性增强; 在外界能量激发下, 缺陷附近分子将变得不稳定, 分子中的C–H键或N–N键较易先发生断裂, 发生化学反应释放能量, 进而成为形成“热点”的根源.     

β-C3N4,β-Si3N4和β-Ge3N4的能带结构

采用基于密度泛函理论的线性丸盒轨道原子球近似(LMTO-ASA)从头计算方法,研究了β-C₃N₄,β-Si₃N₄和β-Ge₃N₄的能带结构,得到了它们的能隙分别为:4.1751,5.1788和4.0279eV。对于β-C₃N₄,由于N的部分2p电子占据了非键轨道,禁带宽度较窄;对于β-Si₃N_{4关键词：}     

二维材料WTe_2用于气体传感器的性能研究

二维过渡金属硫族化合物由于具有大的比表面积、高的载流子迁移率以及快速响应等特性,在高性能气体传感器应用方面具有显著优势.本文通过密度泛函理论计算,研究了CO,CO_2,NH_3,NO,NO_2气体分子在单层WTe_2表面的吸附构型、吸附能、电荷转移、电学及磁学特性.结果表明,N基气体分子的吸附能小于C基气体分子的吸附能,说明WTe_2对N基气体分子的吸附更敏感.电荷分析结果表明,NH_3气体分子吸附在WTe_2表面时表现为给电子体,而其他四种气体分子都表现为得电子体.能带结构方面,与CO,CO_2,NH_3气体分子相比,磁性气体分子NO和NO_2的吸附在费米能级附近引入了杂质能带,杂质能带主要来源于O原子和N原子的p轨道.此外,NO和NO_2气体分子分别诱导了0.99μB和0.80μB的磁矩.本文的研究结果为实验上制备基于WTe_2的超灵敏气体传感器提供理论指导.     

外电场作用下ZnO分子的结构特性研究

本文以6-311++g(d,p)为基组, 采用密度泛函理论的B3P86方法优化得到了ZnO分子的基态稳定构型, 并计算了不同外电场(-0.05–0.05a.u.)下ZnO基态分子的稳定电子结构, 研究外电场对ZnO基态分子键长、总能量、电荷分布、能级分布、能隙及红外光谱的影响. 结果表明: 外加电场的大小和方向对分子结构和电子特性均有明显影响. 随着正向外加电场的增加, ZnO基态分子的平衡键长先减小后增加, 而分子总能量、振动频率和红外光谱的强度均先增加后减小. 分子的最高占据轨道能量E_H、最低未占据轨道能量E_L和能隙E_g始终处于减小趋势, 因而占据轨道的电子更容易被激发至空轨道. 这一结果可为ZnO分子的电致发光机理研究提供一定的理论参考. 关键词： ZnO 外电场 结构参数 激发     

YFe2B2电子结构的第一性原理计算

基于密度泛函理论,从头计算了具有ThCr₂Si₂型四方晶系的稀土金属化合物Yfe₂B₂体相的物理特性.能量计算结果表明Yfe₂B₂体相处于顺磁金属态;而能带结构、态密度、布居数以及差分电荷　分布的计算结果表明Y原子的5s,5p电子具有很强的局域性;Fe原子的3d电子和B的1s,2s和2p电子强烈耦合,使得最近邻Fe原子与B原子形成了Fe—B共价键;最近邻的两个Fe原子之间由于 关键词： 稀土金属化合物 第一性原理计算 能带结构 态密度     

Eu_mSi_n(m=1～2,n=1～8)团簇结构和性质的密度泛函理论研究

在密度泛函理论的框架下,采用广义梯度近似（GGA）研究了Eu₂Si_n（n=1～7）团簇的基态几何结构,系统计算了平均结合能E_b、二阶能量差分△₂E、最高占据轨道（HOMO）与最低未占据轨道（LUMO）之间的能隙,并与已有的EuSi_n（n=2～8）团簇相关数据作对比分析.研究表明:单Eu原子比双Eu原子掺杂的Si团簇具有更高的稳定性,EuSi₃、EuSi₆、Eu₂Si₄团簇较相应邻近团簇结构稳定;Eu_mSi_n（m=1～2,n=l～8）团簇的能隙随着团簇总原子数的增加呈现振荡变化,态密度分析得到能隙振荡变化的原因是S原子的s轨道与Eu原子的p轨道发生了杂化.     

立方钙钛矿RbZnF3电子、弹性和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论和赝势平面波方法研究了立方钙钛矿RbZnF3的电子结构和光学性质;利用静水有限应变技术计算研究了RbZnF3弹性常数Cij、体积弹性模量B和剪切模量G随压力的变化关系。基态下,RbZnF3晶格常数a和体积弹性模量B0计算值与实验值以及其他理论值一致。根据能带结构、总态密度以及分波态密度分析可知：基态下立方钙钛矿结构RbZnF3为间接带隙半导体材料,带隙为3.57eV,与其他计算结果比较,本文计算结果偏低,这是由于局域密度近似(LAD)或广义梯度近似(GGA)交换关联函数的局限性所致。基态下RbZnF3的Mulliken电荷分布和集居数说明：RbZnF3属于共价键和离子键所形成的混合键化合物;RbZnF3的电荷总数主要来源于Rb 4s和4p轨道,Zn 3d轨道,以及F 2s和2p轨道。电荷主要从Rb, Zn原子向F原子转移。同时,本文还计算研究了RbZnF3的光学介电函数、吸收系数、复折射率、能量损失谱和反射系数等光学性质。     

Rb吸附石墨烯纳米带电子性质和光学性质的研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法了计算了Rb、O和H吸附石墨烯纳米带的差分电荷密度、能带结构、分波态密度和介电函数，调制了石墨烯纳米带的电子性质和光学性质，给出了不同杂质影响材料光学特性的规律.结果表明本征石墨烯纳米带为n型直接带隙半导体且带隙值为0.639 eV；Rb原子吸附石墨烯纳米带之后变为n型简并直接带隙半导体，带隙值为0.494eV；Rb和O吸附石墨烯纳米带变为p型简并直接带隙半导体，带隙值增加为0.996eV；增加H吸附石墨烯纳米带后，半导体类型变为n型直接带隙半导体，且带隙变为0.299eV，带隙值相对减小，更有利于半导体发光器件制备.吸附Rb、O和H原子后，石墨烯纳米带中电荷密度发生转移，导致C、Rb、O和H之间成键作用显著.吸附Rb之后，在费米能级附近由C-2p、Rb-5s贡献；增加O原子吸附之后，O-2p在费米能级附近贡献非常活跃，杂化效应使费米能级分裂出一条能带；再增加H原子吸附之后，Rb-4p贡献发生蓝移，O-2p在费米能级附近贡献非常强，费米能级分裂出两条能带.Rb、O和H的吸附后，明显调制了石墨烯纳米带的光学性质.     

立方钙钛矿RbZnF_3电子、弹性和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论和赝势平面波方法研究了立方钙钛矿RbZnF_3的电子结构和光学性质;利用静水有限应变技术计算研究了RbZnF_3弹性常数Cij、体积弹性模量B和剪切模量G随压力的变化关系.基态下,RbZnF_3晶格常数a和体积弹性模量B0计算值与实验值以及其他理论值一致.根据能带结构、总态密度以及分波态密度分析可知:基态下立方钙钛矿结构RbZnF_3为间接带隙半导体材料,带隙为3.57eV,与其他计算结果比较,本文计算结果偏低,这是由于局域密度近似(LAD)或广义梯度近似(GGA)交换关联函数的局限性所致.基态下RbZnF_3的Mulliken电荷分布和集居数说明:RbZnF_3属于共价键和离子键所形成的混合键化合物;RbZnF_3的电荷总数主要来源于Rb 4s和4p轨道,Zn 3d轨道,以及F 2s和2p轨道.电荷主要从Rb,Zn原子向F原子转移.同时,本文还计算研究了RbZnF_3的光学介电函数、吸收系数、复折射率、能量损失谱和反射系数等光学性质.     

外场下SnS分子结构及其特性

对S原子采用6-311++G**基组,Sn原子采用SDB-cc-pVTZ基组,利用密度泛函(B3P86)方法对SnS分子进行了基态结构优化,并研究了外场作用下SnS基态分子键长、能量、能级分布、电荷布居分布、谐振频率和红外谱强度的影响规律.然后利用含时密度泛函(TD-B3P86)方法研究了SnS分子在外场下的激发特性.结果表明,在所加的电场范围内(-0.04 a.u.-0.04 a.u.),随着正向电场的增大,分子键长和红外谱强度均是先减小后增大;总能E,SnS基态分子的最高已占据轨道能量EH和谐振频率均是先增大后减小;分子的最低未占空轨道能量EL和能隙Eg均随正向电场的增大而减小.随着正向电场的增大,SnS分子由基态至前9个单重激发态跃迁的波长增大,激发能则减小.     

First-principles Study of Electron Transport Through Oligoacenes

利用非平衡格林函数和电子密度泛函理论研究了多并苯分子结(多并苯分子末端通过硫原子以串联和并联方式连接在两个Au(111)表面之间)的电子输运特性．在小偏压下,多并苯分子结的电子输运性能主要取决于来自最高占据分子轨道的透射输运峰的尾部在费米能级附近的贡献．随着多并苯分子中苯环个数的增加,串联型多并苯分子的零偏压电导值先减少后变大,它既不遵循指数衰减规律,也没有表现出振荡现象,而并联型分子结的零偏压电导值随苯环个数的增加而单调增加．理论计算结果表明,分子轨道空间分布图、能隙变化以及费米能级所处位置可以用来阐明多并苯分子结的电子输运机     

第一性原理对(NaP3)n(n=1～5)团簇的几何结构和性质的研究

本文采用第一性原理研究了(NaP3)n(n=1～5)团簇的几何结构、能隙、电荷分布以及态密度.研究结果表明: NaP3团簇为线型结构,是(NaP3)n(n=1～5)团簇中的基本单元,随着n增大,团簇转变为环状结构和空间结构,; (NaP3)3团簇的能隙出现峰值, 表明该团簇较其他团簇有较高的稳定性; (NaP3)3团簇中对于高能量区域的态密度是由Na 3s和P 3p轨道贡献,其中在费米附近的能量主要由P 3p轨道贡献, 对于低能量区域的态密度主要由Na 3s轨道贡献; (NaP3)n(n=1～5)团簇中的Na原子电荷分布均为正值, 表明电荷总体上是从Na原子转移到P原子.     

第一性原理对(NaP_3)_n(n=1～5)团簇的几何结构和性质的研究

本文采用第一性原理研究了(NaP_3)_n(n=1~5)团簇的几何结构、能隙、电荷分布以及态密度.研究结果表明:NaP_3团簇为线型结构,是(NaP_3)_n(n=1~5)团簇中的基本单元,随着n增大,团簇转变为环状结构和空间结构;(NaP_3)_3团簇的能隙出现峰值,表明该团簇较其他团簇有较高的稳定性;(NaP_3)_3团簇中对于高能量区域的态密度是由Na 3s和P 3p轨道贡献,其中在费米附近的能量主要由P 3p轨道贡献,对于低能量区域的态密度主要由Na 3s轨道贡献;(NaP_3)_n(n=1~5)团簇中的Na原子电荷分布均为正值,表明电荷总体上是从Na原子转移到P原子.     

第一性原理研究电场对BN纳米管电子结构的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了电场对BN纳米管的电子结构的影响.首先对在不同电场强度下的纳米管几何结构进行了优化,可以看出纳米管沿轴方向层间距出现了不规则的变化.电子能带结构显示,在电场作用下,zigzag型和armchair型两种结构纳米管的能带向低能方向移动,并且导致纳米管的带隙有显著的减小.电场使得armchair型纳米管的带隙发生了从间接带隙向直接带隙的转变.在电场作用下,纳米管的两端态密度呈现出明显的差异,正负电荷沿轴向出现了沿轴向的空间分离,Mulliken电荷分布图揭示出最高占据轨道和最低未占据轨道分居在纳米管的两端.     

第一性原理对(NaP3)n(n=1～5)团簇的几何结构和性质的研究

本文采用第一性原理研究了(NaP3)n(n=1～5)团簇的几何结构、能隙、电荷分布以及态密度.研究结果表明: NaP3团簇为线型结构,是(NaP3)n(n=1～5)团簇中的基本单元,随着n增大,团簇转变为环状结构和空间结构,; (NaP3)3团簇的能隙出现峰值, 表明该团簇较其他团簇有较高的稳定性; (NaP3)3团簇中对于高能量区域的态密度是由Na 3s和P 3p轨道贡献,其中在费米附近的能量主要由P 3p轨道贡献, 对于低能量区域的态密度主要由Na 3s轨道贡献; (NaP3)n(n=1～5)团簇中的Na原子电荷分布均为正值, 表明电荷总体上是从Na原子转移到P原子.     

理论研究B3Sin0\- (n=15-20)团簇的几何结构、稳定性和电子特性

基于B3LYP/6-311+G(d)下的密度泛函理论和卡里普索结构预测方法,系统研究了B3Sin0\- (n=15-20)团簇的几何结构、稳定性和电子特性。结构搜索发现,三个硼原子易构成三角结构并包裹在硅团簇笼子中。并通过对比实验和理论的光电子谱,进一步确定基态结构的合理性。此外,利用平均结合能、二阶差分能、最高占据轨道和最低未占据轨道能隙研究了体系的稳定性。最后,讨论了体系电荷的分布和转移、红外和拉曼谱等电子特性。