Mn掺杂半金属铁磁体Fe2Si电磁特性的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论第一性原理的贋势平面波方法,计算了不同比例Mn掺杂Fe2-xMnxSi体系的电子结构和磁学特性,分析了不同比例Mn掺杂对Fe2-xMnxSi体系电磁特性的影响.计算结果表明:不同比例Mn掺杂Fe2-xMnxSi体系是铁磁体,自旋向上的能带结构穿过费米面表现金属特性,未掺杂Fe2Si的半金属隙为0.164eV;掺杂比例为8.3;时,自旋向下部分转变为L间的直接带隙半导体,Fe2-xMnxSi(x=0.17)体系呈现半金属特性;掺杂比例为12.5;时,自旋向下部分转变为A间的直接带隙半导体,Fe2-xMnxSi(x=0.25)体系呈现半金属特性;掺杂比例为25;时,自旋向下部分的带隙值接近于0,Fe2-xMnxSi(x=0.5)体系呈现金属特性.Mn掺杂使Fe2-xMnxSi体系的能带结构和电子态密度向低能方向移动,费米能级落入自旋向下的禁带之中,使得自旋极化率达到100;.Fe2-xMnxSi体系的半金属性和磁性主要来源于Fe-3d电子与Mn-3d电子之间的d-d交换,Si-3p电子与Fe-3d电子之间的p-d杂化.这些结果为半金属铁磁体Fe2Si的电磁调控提供了有效的理论指导.     

无序化对有序铁铝金属间化合物磁性的影响

在平衡态时,化学计量比成份Fe3Al具有D03超结构,并表现出铁磁性,平均每个Fe原子的磁矩是1.7μB,而具有B2超结构的FeAl却是无磁的.利用快速凝固、冷加工处理、溅射和机械合金化等非平衡加工技术可以使D03-Fe3Al和B2-FeAl等有序铁铝金属间化合物相无序化.本文利用固体与分子经验电子理论(EET)和Jaccarino-Walker模型对铁铝金属间化合物的磁性进行了计算,研究了无序化对Fe-Al有序相磁性的影响.结果表明:完全无序的Fe75Al25和Fe50Al50,每个Fe原子的平均磁矩分别是2.01μB、1.41μB,铁铝金属间化合物的磁性可以通过无序化提高.     

F掺杂四方钙钛矿结构BiFeO3的铁磁性和电子结构第一性原理研究

采用第一性原理方法,研究了F掺杂四方钙钛矿结构BiFeO3(T-BiFeO3)的铁磁性和电子结构.基于T-BiFeO3的四种磁结构,本文计算了两种可能的掺杂位置,确定了最稳定的T-BiFeO3-x Fx结构.研究发现,不同F的浓度对T-BiFeO3的总磁矩影响不同,当掺杂为T-BiFeO2.75 F0.25时,其总磁矩最大,为2μB.进一步分析发现,T-BiFeO3-x Fx的总磁矩主要来源于F原子及其最近邻的Fe原子.电子结构分析表明,费米能级附近的杂质态主要是掺杂后Fe 3d轨道和O 2p轨道向高能级移动而形成的.另外,T-BiFeO2.75 F0.25具有比较大的极化强度.     

用第一性原理研究Fe16N2的磁学性能

用第一性原理计算了 Fe16N2的电子结构和磁学性能.对Fe16N2的第一性原理研究表明:没有与N原子直接相邻的FeⅢ具有巨磁矩,大约为2.84μB.直接相邻N原子的FeⅠ和 FeⅡ原子只有正常磁矩.FeⅠ和FeⅡ原子的局域能带占有数分析中显示富有s和p电子的N原子主要影响Fe的4s和4p外壳电子,而3d能带占有数几乎保持不变.对于FeⅢ原子,3d电子数减少,4s和4p电子数增加,从而产生巨磁矩.当单胞体积增加时,4p电子数以快速的比率增加,4s电子数减少,而且3d电子数也减少,导致磁矩增加.     

氮气在M-g-C3N4(M=Fe,Co,Ni)表面吸附的第一性原理研究

利用第一性原理密度泛函理论方法计算研究了N2分子在M-g-C3 N4(M=Fe,Co,Ni)上的吸附,研究计算了M-g-C3 N4-N2(M=Fe,Co、Ni)构型的吸附能、结构参数以及电子性质.结果表明,N2分子可以吸附在M-g-C3 N4(M=Fe,Co,Ni)的金属上,并且延长了N≡N叁键键长.根据吸附后电子态密度的分析表明,过渡金属Fe、Co、Ni能很好的活化N2分子.同时,从差分电荷密度图上可以看出过渡金属Fe、Co、Ni与N2分子之间发生了电子的转移,电子由过渡金属Fe、Co、Ni转移到N2分子上.     

Fe,Mn共掺SnO2超晶格电子结构和光学性质研究

基于密度泛函理论的第一性原理,采用了广义梯度近似(GGA)处理交换相关势,用Wien2k软件计算了SnO2超晶格掺杂单层Mn、双层Mn及Fe、Mn共掺情况下的态密度、能带结构、光学性质.结果表明SnO2超晶格单掺Mn时,材料表现为半金属性,这是由于Mn-3d与O-2p的耦合作用,而双层Mn掺杂时仅有O-2p提供.随Mn掺杂层数的增加,其光学性质在低能级处的峰值增大,光学吸收边发生红移,材料透光性能增强.当Fe、Mn共掺时,态密度向低能方向移动,能带结构在Fermi能级附近出现自旋极化,材料表现为半金属性,这是由于Fe与Mn强烈耦合所致.材料的吸收谱、反射谱、能量损失图谱变化趋势一致,但共掺杂比单掺时各谱更向低能方向移动.     

MnGa二元合金等静压电子结构与磁性质的研究

为了研究等静压下非稀土磁性材料MnGa合金的电子结构和磁性质,本文在密度泛函理论计算的基础上系统研究了四方MnGa合金在500 MPa等静压下的晶格结构、生成、自旋电子结构和磁性质。结果表明,四方MnGa合金在500 MPa等静压下更容易生成,呈各向异性压缩性质。合金中异类原子之间的距离较小,同类原子之间的距离较大。四方MnGa合金在500 MPa等静压下的能带结构呈金属性导体型。与Ga的d电子相比,四方MnGa合金中Mn的d电子呈现较高的净磁矩,贡献了体系的剩磁。四方MnGa合金呈现弱的亚铁磁性,在500 MPa等静压下净有效磁矩减小。     

Cu-N共掺杂ZnO体系的稳定性,电子结构和磁性的第一性原理研究

采用第一性原理框架下的全势缀加平面波方法研究了Cu-N共掺杂的ZnO体系的电子结构和磁学性能.基于总能的计算表明,Cu-N共掺杂体系在基态下具有稳定的铁磁性,这个铁磁性的起源可以利用双交换理论进行解释.同时,电子结构的计算表明,掺杂体系在基态下呈现的是半金属特性.在Zn1-xCuxO1-yNy (x=0.0625, y=0.0625)中体系的总的磁矩为2 μB.这些磁矩主要来源于Cu-3d电子和O-2p电子以及N-2p电子的相互作用.     

拓扑半金属α2-Ti3Al(0001)表面的电子结构理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对α2-Ti3Al(0001)表面的电子结构进行计算.结果 表明:(1)α2-Ti3Al(0001)表面的表面能为2.03 J/m2,表面功函数为4.265 eV;(2)表面的总态密度在费米能级处达到极大值,系统呈现金属性,与块体的半金属差异明显,Ti-s、Ti-p和Al-s轨道受层数的影响较小,而Ti-d和Al-p轨道受层数的影响较大,均在费米能级处出现极大值;(3)能带结构未呈现块体的节线环,而是在费米能级附近以下的Γ点,出现一个类电子型的三带交叉点,在费米能级以上的Γ点,出现一个类空穴型的两带交叉点.     

气体分子吸附调控CdG电子结构和磁性的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,深入研究单个气体分子CO、NO、NO2、SO2、O2和H2S吸附对Cd掺杂石墨烯(CdG)电子结构和磁性的影响及调控机理.结果 表明:六种气体分子以较大的吸附能与CdG基底中的Cd原子键合并形成Cd-X键(X代表C,O,N,S),属于化学吸附;由气体吸附注入的空穴使得复合体系的电子分布发生重构,致使复合体系电子结构和磁性明显改变.CO吸附后,体系仍保持CdG基底原有的半导体性,但带隙宽度有所变化;NO、NO2、SO2和O2吸附的CdG基底转变为金属性,H2S@CdG为半金属性.CO的吸附使得原本自旋极化的CdG基底磁性消失;NO2、H2S、NO和O2吸附基底时,产生局域自旋极化.对于NO2@CdG和H2S@CdG,自旋极化主要分布于基底之上且极化方向相同,NO2和H2S发生弱极化且自旋方向相反;而NO@CdG和O2@CdG的自旋分布特征与之相反;SO2@CdG呈现完全自旋极化特征,即SO2和基底皆有显著的自旋分布但自旋方向不同.据此,由各气体分子引起体系电子结构和磁性的不同变化特征,可有效检测和甄别气体分子.     

Cu替位与空位及Cu、S共掺SnO2的光磁性质研究

运用第一性原理,基于密度泛函理论,计算了Cu分别以替位和空位两种方式掺杂SnO2的电子结构和光电特性,并对两种掺杂方式做了一定的比较研究;磁性方面,主要研究了Cu、S共掺SnO2后的磁学性能.计算表明,两种方式掺杂,都使SnO2具有半金属特性,Cu原子将与周围的O原子发生强烈的交换作用,Cu原子对态密度的贡献主要在费米能级附近.相比之下,空位掺杂后的晶胞体积略大于替位掺杂后的SnO2,对光的能量损耗也比替位掺杂的低.对于Cu、S共掺的体系,计算表明:每个Cu原子的掺入将产生0.46μB的磁矩,而一个S原子将引入0.36μB的磁矩,Cu原子周围的O原子也对磁矩有一定的贡献.经过分析,发现体系的磁性来源主要是Cu-3d和S-3p,以及Cu-3 d与O-2 p间的强烈耦合作用.     

Fe3Al金属间化合物硫化腐蚀中晶粒变化及晶界扩散研究

本文采用真空熔炼法制备了Fe3Al金属间化合物,借助SEM,XRD,EDX等手段研究了Fe3Al在O-S混合气氛下800-1000℃的高温腐蚀行为及其中的晶相变化、晶界扩散过程,并从热力学和动力学方面对其腐蚀机理进行了分析.结果表明:Fe3Al合金在600-900℃范围内,具有较好的抗高温腐蚀性能.当温度超过1000℃或长时间腐蚀时,腐蚀速度迅速增加.     

4d过渡金属掺杂石墨烯体系对NO2分子的吸附

基于第一性原理的密度泛函理论对NO2分子吸附在4d过渡金属掺杂的石墨烯体系进行了研究.发现Cd原子价电子构型为4d105s2,形成饱和结构,不容易掺入石墨烯体系.调查了三种NO2分子的吸附情况,分别是N原子、一个O原子、两个O原子靠近石墨烯体系吸附点.通过能量优化获得最稳定的吸附构型.通过吸附能、电荷转移等数据研究了各吸附构型对NO2的吸附情况.纯的石墨烯体系对NO2分子的吸附较弱,吸附能小于0.2 eV,而4d掺杂可以明显提高吸附体系的吸附性能,多数吸附能超过了2 eV.其中掺Nb原子对NO2吸附效果最好,且吸附构型较稳定,吸附能为3.686 eV.此外,通过比较吸附前后带隙的变化,可发现掺Zr原子,石墨烯体系由半导体转变为金属,而掺Nb原子,石墨烯体系由金属转变为半导体.     

中红外非线性光学晶体CdSiP2的合成与生长

本文以P,Si,Cd为原料采用双温区法合成出140 g的高纯CdSiP2多晶料锭,分别采用自发形核和施加籽晶的垂直Bridgman法生长出φ12 mm×40 mm和φ15 mm×50 mm优质CdSiP单晶体.所生长的晶体中无宏观散射颗粒,(004)面的单晶摇摆曲线的半峰宽为40".透过光谱表明CdSiP2晶体在2～6.5tμm的透过率达到57;,接近其理论最大值.辉光放电质谱检测到晶体中含有少量的Fe、Cr、Mn、Ti等过渡金属.电子顺磁共振波谱检测到Fe+和Mn2的存在,这些杂质可能会引起晶体在近红外波段的光学吸收.     

两个基于三氰构筑单元三核氰基簇合物的合成、结构与磁性研究

在咪唑(im)或者三乙烯四胺(tetraen)存在的条件下,反应Bu4N[Fe(Tp)(CN)3]和(Bu4N)[(Tp*)Fe(CN)3](Tp=Tris(pyrazolyl)hydroborate,Tp*=hydridotris(3,5-dimethylpyrazol-1yl)borate)三氰基前驱物与Ni(ClO4)2·6H2O得到两个新型的氰基桥联{Fe2Ni}异金属三核簇合物{[Fe(Tp)(CN)3]2[Ni(im)4]}(1)和{[Fe(Tp*)(CN)3]2[Ni(tetraen)]}·12H2O(2).采用X射线单晶衍射法确定分子结构.在这两个晶体中,每个FeI I离子与三个氰基碳原子以及Tp(或者Tp*)阴离子中的三个氮原子配位.而每个Ni I离子与两个氰基氮原子以及来自四分子咪唑或者一分子三乙烯四胺分子中的四个氮原子配位,这些Ni I离子通过三氰基构筑单元相连接形成两个{Fe2Ni}三核簇合物.磁性测试表明,在晶体1和2中的低自旋FeI I(S=1/2)离子和高自旋NiI(S=1)离子间存在强烈的链内铁磁性相互作用.     

原位生成Fe-Al/Al2O3复合陶瓷涂层

采用化学镀法制备Fe包覆Al核(Al)-壳(Fe)结构复合粉体,以Fe-Al复合粉体为喷涂材料,利用等离子喷涂法在Q235钢基体上制备涂层,在喷涂过程中Fe、Al反应生成Fe-Al金属间化合物和Al2O3,通过控制Fe-Al和Al2O3粉体的混合比例实现涂层的梯度化。利用SEM、XRD研究涂层微观结构与组成,并测试分析了涂层的抗热震性与结合强度。结果表明,涂层主要由Al2O3、Al、Fe3Al和Fe O等组成,喷涂过程中Fe-Al发生反应原位生成了Fe3Al金属间化合物,以Fe-Al为底层的Fe Al/Al2O3梯度涂层的结合强度和抗热震性均明显高于Al2O3涂层,涂层成分的梯度分布和Fe3Al的原位形成改善了涂层的结合状态,提高了结合强度和抗热震性。     

Cu-Fe-Ru-La/γ-Al2O3湿式氧化催化剂的制备、表征及机理

采用等量浸渍法以γ-Al2O3为载体,制备过渡金属Cu和Fe、贵金属Ru、稀土金属La的复合催化剂.采用催化湿式空气氧化法处理模拟印染废水,研究金属离子配比、焙烧温度对催化剂活性及稳定性的影响,并对催化剂CWAO反应机理进行探讨:权衡催化剂的活性和稳定性,催化剂的组分质量配比和焙烧温度分别为Cu∶ Fe∶ Ru∶ La=1∶1∶1∶3、450℃.对催化剂进行XRD、XPS、孔结构、FT-IR、TG-DTA、SEM、TEM表征,结果表明:焙烧使催化剂组成物质分解为氧化物,元素Cu、Fe、Ru、La分别以CuO、Fe2O3、RuO2、La2O3形式存在;焙烧温度升高,晶粒长大结晶趋于完整,催化剂孔容孔径增大但比表面积减小,晶粒尺寸分布在5～ 20 nm; Cu-Fe-Ru-La/γ-Al2O3催化剂使用前后结构无明显变化且反应后溶出的金属浓度低,催化剂具有较高的稳定性.     

一氯桥双核铜配合物:Cu2(phen)2Cl4的合成、晶体结构及性质研究

本文报导了Cu2(phen)2Cl4配合物的合成方法.X射线衍射分析表明标题配合物属单斜晶系,空间群Cc(no.9),晶胞参数:a=0.9864(2)nm,b=1.7860(4)nm,c=1.3398(3)nm,β=106.60(3)°,V=2.262(8)nm3,Dc=1.848g/cm3,F(000)=1256,Z=4.3064个独立衍射点中2812个满足F2o2σ(F2o),R1和wR2分别为0.0482和0.1066.标题配合物由双核[Cu2(phen)2Cl4]络分子组成,每个铜原子与邻菲NFED4啉配体的2个N原子和3个Cl原子配位形成畸变CuN2Cl3四方锥.配位多面体通过两氯原子形成共棱的Cu2N4Cl6双四方锥.通过氢键和芳环堆积作用,络分子形成三维网络结构.标题配合物为顺磁物质,在5～300K区间内遵循Curie-Weiss定律,χm(T+0.649)=0.405cm3*K*mol-1(χm为每摩尔Cu2+离子磁化率),其Cu2+离子的室温有效磁矩为1.8 B.M.,与Cu2+自由离子的磁矩基本相同,表明铜离子之间不存在磁交换作用.热分析显示该配合物在290℃以下非常稳定.     

Fe3Al有序度截留后的力学性能与价电子结构的关系

利用固体与分子经验电子理论(EET)对Fe3Al的两种晶体结构:03和B2的滑移能进行了计算,结果表明B2结构在室温下具有较低的滑移能,在较小的能量作用下,B2结构优先滑移,这预示B2结构具有较好的塑性.据此对D03结构的Fe3Al进行有序度截留(淬火处理)研究.截留后B2结构的Fe3Al材料的加工性能发生了显著变化,抗压强度和硬度下降.本文对比研究了D03和B2型Fe3Al价电子结构及其力学性能的关系,发现价电子结构与力学性能之间存在很好的相关性.     

Fe-25Al铝化物的电子结构及其本质脆性

铁铝金属间化合物是一类具有良好应用前景的新型材料,但室温脆性影响了其进一步应用.本文基于Fe-25Al各种物相的晶体结构和实际原子占位,运用固体与分子经验电子理论(EET)建立起Fe-25Al各相的价电子结构.通过比较不同相结构的价电子结构参数,对Fe3Al的室温脆性进行了阐述.认为较少的晶格电子、键络分布不均匀使Fe3Al具有本质脆性,添加固溶组元可以改变价电子结构参数从而改善强度和韧性.