Li掺杂ZnO的电子结构与电性能的研究

采用密度泛函理论平面波超软赝势方法研究了p型Li掺杂的纤锌矿结构ZnO的能带结构、态密度和电荷分布,并分析了Li掺杂ZnO的电输运性能.结果表明,Li掺杂ZnO具有1.6eV的直接带隙,且为p型半导体,体系费米能级附近的态密度大大提高,在导带和价带中都出现了由Li电子能级形成的能带,其费米能级附近的能带主要由Li的s态、Zn的p态、Zn的d态和O的p态电子构成,且他们之间存在着强相互作用.电输运参数和电输运性能分析结果表明,Li掺杂的ZnO氧化物价带和导带中的载流子有效质量均较大;其载流子输运主要由Li的s态、Zn的p态和O的p态电子完成;Li掺杂有望改善ZnO的电输运性能.     

LaNi5-xCox合金电子结构的第一性原理分析

基于密度泛函理论, 采用总能量计算方法与结合超软赝势平面波函数方法, 对不同Co含量的LaNi5−xCox (x=0, 0.5, 1)几何结构进行了优化, 计算了其相应的晶体结构、能带结构、态密度及Mulliken密度等, 从理论上给出了其结构参数及性质. 结果表明, 体系的价电子主要集中在费米能级EF附近, 并且随着Co含量的升高, 费米面能量单调下降. 由Mulliken密度分析可知, Ni3g—Ni3g 和Ni2c—Ni2c键的Mulliken重叠密度均降低, 说明钴取代后合金中的Ni—Ni键强减弱, 而La—Ni2c键的重叠密度值升高说明取代后合金中的La—Ni键增强.     

Ni 掺杂ZnO纳米线的电子结构与磁性

采用自旋极化密度泛函理论系统研究了Ni掺杂ZnO纳米线的电子结构、磁学和光学性质.磁学性质计算结果显示六种Ni掺杂ZnO纳米线的磁性耦合体系出现了铁磁(FM)、反铁磁(AFM)和顺磁(PM)二种不同的耦合状态.能量计算结果表明Ni原子在纳米线外表面沿[0001]方向替代Zn原子时能量最低,体系的AFM耦合相对稳定,AFM体系表现出金属性.态密度计算结果显示FM耦合在费米能级附近出现了明显的自旋极化现象,发生了强烈的Ni 3d和O 2p杂化效应,掺杂产生的磁矩主要来源于Ni 3d未成对轨道电子和部分O 2p轨道电子的贡献,FM耦合表现出半金属性.另外,光学性质计算结果显示Ni掺杂ZnO纳米线的远紫外吸收峰发生了红移现象,而380 nm附近的近紫外吸收峰发生了明显的蓝移现象,在整个紫外区都表现出了优异的发光性能.以上结果表明Ni掺杂ZnO纳米线是一种很有前途的磁光电子材料.     

Al轻掺杂对CaMnO_3晶态材料结构与电迁移性质的影响研究

通过电子平面波函数密度泛函理论的计算分析方法系统研究了Ca位Al轻掺杂钙钛矿结构CaMnO_3基晶态材料的晶体结构、电子结构和载流子迁移性质.结果表明,Al轻掺杂使得CaMnO_3基晶态材料的晶格参数增大,在b轴方向上增大程度最高,在c轴方向上增大程度最小.Ca位Al轻掺杂之后,CaMnO_3中的O—Mn—O八面体向2个O顶点方向拉长,八面体产生扭曲变形.Al轻掺杂前后的CaMnO_3基晶态材料均为间接带隙半导体,其带隙宽度分别是0.713和0.695 eV,Al掺杂属于电子型掺杂.经过Al掺杂之后CaMnO_3基晶态材料的导带有效质量大大提高.Al掺杂CaMnO_3基晶态材料费米能以下,p状态态密度最高,s状态态密度最低;在费米能以上,d状态态密度最高,s状态态密度最低.Al掺杂大大提高了CaMnO_3基晶态材料的载流子浓度.CaMnO_3中O—Mn—O八面体中底平面上的O原子电子对载流子迁移过程的贡献大于顶点处的O原子电子贡献程度.     

基于第一性原理的Mn-AlN和Cr-AlN的半金属性质

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,在广义梯度近似(GGA)下研究了纤锌矿Mn-AlN和Cr-AlN的能带结构、态密度与磁学等性质.结果表明,Mn-AlN和Cr-AlN的半金属能隙都随着杂质浓度的增大而减小.原因可能是随着Mn/Cr掺杂浓度的增大,杂质原子间相互作用增强,Mn/Cr 3d与N 2p杂化减弱,使得自旋交换劈裂变小,从而半金属能隙变窄.在同等掺杂浓度下,Mn-AlN比Cr-AlN的半金属能隙大.这是因为Mn 3d态能级比Cr 3d态能级低,Mn 3d与N 2p杂化更强,导致自旋交换劈裂更大,自旋向下子带的导带底相对远离费米能级,因此Mn-AlN的半金属能隙较大.     

LSDA+U方法研究Ni掺杂CuO和Cu掺杂NiO的电子结构和反铁磁学性质

光催化分解水制H2和光催化还原CO2是解决能源危机和全球变暖的有效途径.但是,由于粉末光催化剂存在回收效率低的问题,因而光催化成本很高.而磁性光催化剂便于回收和重复利用,因此人们把目光转向具有磁性的非光催化剂材料,试图通过改性使得磁性材料具有合适的水分解或者还原CO2的氧化还原电位.同时,对具有光催化活性但是没有磁性的材料进行磁化改性可以得到新型的磁性光催化剂.本文通过对本身具有磁性的NiO材料进行Cu掺杂能带调整,使调整后的NiO具有合适的氧化还原电位;对本身具有良好光催化氧化还原电位的CuO材料进行Ni掺杂磁化调整,使磁化后的CuO既有良好的氧化还原电位又有磁性.最终两种材料经过掺杂变成磁性光催化材料,既有较好的光催化性能,又可高效回收,因此有望在光催化领域具有潜在的应用前景.LSDA(局域自旋密度近似)+U(有效库仑相关能)计算方法能够很好地给出磁矩和禁带宽度等电子结构性质.本文通过LSDA+U计算方法对具有磁性的宽禁带半导体材料NiO进行电子结构改性研究,希望通过降低其禁带宽度、调整其氧化还原电位使之对太阳光有响应.因其同时具有磁性便于回收,使得光催化分解水制H2和光催化还原CO2成本高的问题得到解决.对NiO的磁胞进行了Cu掺杂计算,结果发现Cu的掺杂几乎没有引起NiO空间结构的变化,这是因为Cu和Ni的离子半径相近.通过对电子结构的计算发现掺杂体系的禁带变窄,并且在禁带中间出现了两条杂质能级,该杂质能级是由掺杂原子Cu 3d态组成.杂质能级的出现能够降低光生载流子在带隙中的复合,从而提高光催化效率.计算结果同时表明,Cu掺杂的NiO系统具有一个1μB的净磁矩,即Cu的掺杂使得NiO显示出磁性,而Ni的磁矩在掺杂前后几乎保持不变,由纯相的1.67μB增加到掺杂体系中的1.70μB.由于CuO本身低指数(111)面和(011)面具有合适的分解水制H2和还原CO2的氧化还原电位,如果对CuO进行磁化改性,可以使光催化剂CuO同时带有磁性,便于回收再利用.本文对CuO磁胞进行了Ni的掺杂计算.结果表明,由于离子半径相近,Ni掺杂几乎没有引起CuO空间结构的变化.掺杂后的体系具有一个1.66μB的净磁矩,同时Ni的掺杂引起多个杂质能级出现,靠近价带的杂质能级由Cu 3d态组成,而在导带底位置出现的杂质能级主要由Ni 3d态组成.整个能带向高能级方向平移.     

过渡金属元素Sc、Cr和Mn对Mg2Ge掺杂的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算,研究了过渡金属元素Sc、Cr和Mn掺杂对Mg₂Ge晶体光、电、磁性质的影响。结果表明,Sc掺杂能使Mg₂Ge的费米能级进入导带,呈n型简并半导体;Cr和Mn掺杂能使Mg₂Ge能带结构和态密度在费米能级附近产生自旋劈裂而形成净磁矩,表现为半金属磁体和稀磁半导体,体系净磁矩均来自杂质原子3d轨道电子及其诱导极化的Ge4p态和Mg2p态自旋电子。与本征Mg₂Ge相比,掺杂体系静态介电常数增大,扩展了吸收光谱,提升了近红外光波段吸收能力。     

锂离子电池正极材料LiFePO4的密度泛函研究

采用密度泛函(B3LYP)方法计算锂离子电池正极材料LiFePO4/FePO4,净电荷和共价键级的计算结果都表明磷氧原子间作用力最强,锂氧原子间作用力最弱,有利于Li离子在晶格中的自由移动.以Li/LiFePO4锂离子电池的平均电压为3.2 V,和实验值3.4 V基本一致.态密度分析表明FePO4和LiFePO4都是典型的半导体,O原子轨道主要贡献总态密度靠费米能级价带一侧,Fe原子轨道主要贡献总态密度靠费米能级导带一侧.     

LSDA+U方法研究Ni掺杂CuO和Cu掺杂NiO的电子结构和反铁磁学性质（英文）

光催化分解水制H_2和光催化还原CO_2是解决能源危机和全球变暖的有效途径.但是,由于粉末光催化剂存在回收效率低的问题,因而光催化成本很高.而磁性光催化剂便于回收和重复利用,因此人们把目光转向具有磁性的非光催化剂材料,试图通过改性使得磁性材料具有合适的水分解或者还原CO_2的氧化还原电位.同时,对具有光催化活性但是没有磁性的材料进行磁化改性可以得到新型的磁性光催化剂.本文通过对本身具有磁性的NiO材料进行Cu掺杂能带调整,使调整后的NiO具有合适的氧化还原电位;对本身具有良好光催化氧化还原电位的CuO材料进行Ni掺杂磁化调整,使磁化后的CuO既有良好的氧化还原电位又有磁性.最终两种材料经过掺杂变成磁性光催化材料,既有较好的光催化性能,又可高效回收,因此有望在光催化领域具有潜在的应用前景.LSDA(局域自旋密度近似)+U(有效库仑相关能)计算方法能够很好地给出磁矩和禁带宽度等电子结构性质.本文通过LSDA+U计算方法对具有磁性的宽禁带半导体材料NiO进行电子结构改性研究,希望通过降低其禁带宽度、调整其氧化还原电位使之对太阳光有响应.因其同时具有磁性便于回收,使得光催化分解水制H_2和光催化还原CO_2成本高的问题得到解决.对NiO的磁胞进行了Cu掺杂计算,结果发现Cu的掺杂几乎没有引起NiO空间结构的变化,这是因为Cu和Ni的离子半径相近.通过对电子结构的计算发现掺杂体系的禁带变窄,并且在禁带中间出现了两条杂质能级,该杂质能级是由掺杂原子Cu 3d态组成.杂质能级的出现能够降低光生载流子在带隙中的复合,从而提高光催化效率.计算结果同时表明,Cu掺杂的NiO系统具有一个1μB的净磁矩,即Cu的掺杂使得NiO显示出磁性,而Ni的磁矩在掺杂前后几乎保持不变,由纯相的1.67μB增加到掺杂体系中的1.70μB.由于CuO本身低指数(111)面和(011)面具有合适的分解水制H_2和还原CO_2的氧化还原电位,如果对CuO进行磁化改性,可以使光催化剂CuO同时带有磁性,便于回收再利用.本文对CuO磁胞进行了Ni的掺杂计算.结果表明,由于离子半径相近,Ni掺杂几乎没有引起CuO空间结构的变化.掺杂后的体系具有一个1.66μB的净磁矩,同时Ni的掺杂引起多个杂质能级出现,靠近价带的杂质能级由Cu 3d态组成,而在导带底位置出现的杂质能级主要由Ni 3d态组成.整个能带向高能级方向平移.     

天然杂质对闪锌矿电子结构和半导体性质的影响

采用密度泛函理论系统研究了分别含有十四种天然杂质的闪锌矿的电子结构,并讨论了这十四种杂质对闪锌矿半导体性质的影响.研究结果表明,锰、铁、钴、镍、铜、镉、汞、银、铅、锑杂质的存在使闪锌矿的带隙变窄,导致吸收带边增大.除了镉和汞杂质外,其余杂质的存在均导致费米能级向高能级方向移动,并且在闪锌矿禁带中产生了杂质能级.铁、镓、锗、铟、锡、锑杂质使闪锌矿的半导体类型由p型变为n型;而锰、钴、镍、铜、镉、汞、银、铅杂质对闪锌矿的半导体类型没有影响.铜杂质使闪锌矿由直接带隙变为间接带隙半导体.     

点缺陷石墨烯的电导（英文）

作为纳米材料中最有前途的的材料之一,石墨烯由于其超高的电导率、优异的热稳定性和机械强度受到了研究者的广泛关注。本文通过非平衡格林函数法结合密度泛函理论计算了石墨烯点缺陷(包括Stone-Waals,反Stone-Waals,单空位和双空位)及其浓度对石墨烯电输运性质的影响。石墨烯的电导在很大程度上依赖于点缺陷的类型及浓度。低浓度的Stone-Waals和反Stone-Waals缺陷不会显著地降低石墨烯的电输运,而双空位可使电导降低约50%左右。石墨烯中明显的电输运行为变化是由带缺陷石墨烯的能带结构决定的——由于点缺陷破坏了石墨烯蜂窝状晶格的对称性,会在费米能级附近引入局域态,进而导致狄拉克点处有能带劈裂。高缺陷浓度的双空位会在费米能级附近引入更多的平带以及在缺陷处更多的局域态,因此可能对载流子进行一定的散射,降低石墨烯的电导。此外,局部电荷密度表现出增强的局域性,阻碍了载流子的运动。石墨烯电导随着缺陷浓度和能带劈裂的增加呈指数下降。这些理论结果为研究真实单层石墨烯的电输运特性提供了重要的理解,并将有助于实验上控制石墨烯基器件的性能。     

Ru修饰前后Pd(111)面的性质及对糠醛吸附的比较研究

采用密度泛函理论研究了Pd(111)面和Ru-Pd(111)面的性质及对糠醛的吸附.原子尺寸因素、相对键长、形成能及d带中心等计算结果表明,Ru-Pd(111)面比Pd(111)面稳定且活性强,Ru的修饰优化了Pd(111)面的几何构型.糠醛在Pd(111)面及Ru-Pd(111)面的初始吸附位分别为P(top-bridge)位及P(Pd-fcc-Ru-fcc)位时,吸附能最大,吸附构型最稳定.由电荷布局和差分电荷密度可得,糠醛在Ru-Pd(111)面上电荷转移数更多,相互作用更强烈,因此吸附能更大.分析态密度可知,产生吸附的主要原因是位于-7.34 eV处至费米能级处的p,d轨道杂化.吸附于Ru-Pd(111)面后糠醛分子的p轨道向低能级偏移程度更明显,使Ru改性后的Pd催化剂具有更好的催化活性.     

锂离子二次电池正极材料镍酸锂的量子化学研究

利用周期性体系的Hartree-Fock方法计算了以LiC6／LiNiO2锂离子二次电池的平均电压，结果与实验值相差 15％。计算表明，NiO2中嵌入一个Li原子变成LiNiO2后，负电荷主要从Li转移到O上，转移到Ni上的负电荷仅约20％，讨论了其对Jahn-Tell效应的影响。以Li0.5NiO2作为嵌锂中间物的代表，研究了锂离子的可能迁移路径。通过对NiO2和LiNiO2的电子态密度的计算，研究了NiO2在嵌锂过程中的能带变化及其对电极的电化学性质的影响。     

硅掺杂的氮化硼纳米管对氯化氰吸附性能的理论研究

为了探索氮化硼纳米管(BNNT)在化学传感器件领域的潜在应用,我们利用密度泛函理论研究了(8,0)单壁BNNT和硅掺杂的(8,0)BNNT对毒性气体氯化氰分子(ClCN)的吸附性能.结果表明,硼位或氮位硅掺杂的BNNT,均对ClCN分子存在较强的化学吸附,而纯氮化硼纳米管对ClCN仅有较弱的物理吸附.态密度的计算进一步表明硅掺杂使纳米管费米能级附近的电子结构发生显著变化,由于杂化态的引入,使带隙明显减小,增强了对毒性ClCN分子的吸附敏感性.硅掺杂的BNNT有望成为检测毒性ClCN分子的潜在资源.     

Cs的覆盖度对Cs/石墨烯的结构稳定性和场发射性能影响

采用密度泛函理论方法,对Cs以不同覆盖度吸附在石墨烯表面时系统的结构稳定性和场发射性能进行了研究.计算结果表明单原子Cs吸附在石墨烯表面的碳六元环的中心位置时系统的能量最低.随着Cs的覆盖度增加,碱金属Cs与石墨烯之间的吸附作用逐渐增强,(4×4)R 0°和(2×2)R 0°结构是稳定的.由于碱金属Cs的修饰作用,Cs/石墨烯体系的功函明显下降,且随着碱金属Cs的覆盖度增大,系统的功函逐渐减小.态密度的计算结果表明功函的下降主要与Cs和石墨烯之间的电子转移有关.随着覆盖度的增大,石墨烯的电子态逐渐向低能方向移动,系统的费米能级升高并导致材料的功函下降.     

共轭性对7-吡啶吲哚类衍生物的结构与电子光谱性质的影响

运用密度泛函理论(DFT)方法对7-吡啶吲哚衍生物的结构及电子光谱性质进行了理论研究.在B3LYP/6-31G(d)水平上得到了7-吡啶吲哚(M)以及5种共轭衍生物(a-e)的几何构型、电子布局以及前线分子轨道;应用含时密度泛函理论(TD-DFT)在B3LYP/6-31+G(d)水平上计算了5种衍生物的电子光谱性质.结果表明,共轭体系的π键成分增大,能级差减小,激发能降低,分子的最大激发波长向长波方向移动,即发生红移.但是,如果分子中的空间位阻增大,则共轭程度降低,发生蓝移.前线分子轨道分析表明该类化合物吸收光谱主要对应分子中的HOMO→LUMO电子跃迁,且为π-π*跃迁.为新型含吲哚基团的光电功能材料的设计合成提供了理论参考.     

钴掺杂氮化硼纳米管吸附氯酚类污染物的理论研究

氯酚(CPs)类污染物是形成持久性有机污染物二噁英的先驱物, 具有较强的致畸、致癌和致突变性. 为探索去除或检测这类污染物的新型材料, 应用密度泛函理论研究了(8,0)单壁氮化硼纳米管(BNNT)和Co掺杂的(8,0)单壁氮化硼纳米管(Co-BNNT)对2-氯酚(2-CP)、2,4,6-三氯酚(TCP)、五氯酚(PCP)的吸附行为及作用机制. 结果表明, 与BNNT相比, Co-BNNT费米能级附近出现杂化态, 带隙明显减小. BNNT对2-CP、TCP和PCP呈现物理吸附, 而Co-BNNT对三种氯酚则是化学吸附, 纳米管与分子间发生了明显的电荷转移, 体系态密度在费米能级附近发生了明显变化. Co原子掺杂明显增强了BNNT的电子输运能力, 提高了纳米管对氯酚的吸附活性. Co-BNNT有望是去除或检测氯酚类污染物的潜在资源.     

熔融碳酸盐燃料电池ZnO/NiO阴极稳定性及电化学性能研究

以ZnO作添加物,采用流延成型法制备了ZnO/Ni复合阴极,研究其微观形貌和相组成,并应用交流阻抗谱研究了ZnO/NiO复合阴极在(Li0.62K0.38)2CO3低共熔盐中的稳定性和电化学性能.结果表明,ZnO/Ni复合阴极和Ni阴极具有基本相近的表面形貌、空隙率和孔径尺寸.ZnO的添加能显著降低NiO在熔盐中的溶解度,其中,2mol%ZnO/NiO复合阴极的NiO溶解度比纯NiO阴极的约低1个数量级,并具有较低的电荷传递电阻(接近于纯NiO值),可望成为MCFC一种很有前景的阴极材料.     

氢原子在Pt及Pt系双金属催化表面吸附的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论(dFT)考察了Pt(100)、(110)、(111)三种表面氢原子的吸附行为, 计算了覆盖度为0.25 ML时氢原子在Pt 三种表面和M-Pt(111)双金属(M=Al, Fe, Co, Ni, Cu, Pd)上的最稳定吸附位、表面能以及吸附前后金属表面原子层间弛豫情况. 分析了氢原子在不同双金属表面吸附前后的局域态密度变化以及双金属表面d 带中心偏离费米能级的程度并与氢吸附能进行了关联. 计算结果表明, 在Pt(100), Pt(110)和Pt(111)表面, 氢原子的稳定吸附位分别为桥位、短桥位和fcc 穴位. 三种表面中以Pt(111)的表面能最低, 结构最稳定. 氢原子在不同M-Pt(111)双金属表面上的最稳定吸附位均为fcc 穴位, 其中在Ni-Pt 双金属表面的吸附能最低, Co-Pt 次之. 表明氢原子在Ni-Pt 和Co-Pt 双金属表面的吸附最稳定. 通过对氢原子在M-Pt(111)双金属表面吸附前后的局域态密度变化的分析, 验证了氢原子吸附能计算结果的准确性. 掺杂金属Ni、Co、Fe 的3d-Pt(111)双金属表面在吸附氢原子后发生弛豫, 第一层和第二层金属原子均不同程度地向外膨胀. 此外, 3d金属的掺入使得其对应的M-Pt(111)双金属表面d带中心与Pt 相比更靠近费米能级, 吸附氢原子能力增强, 表明3d-Pt系双金属表面有可能比Pt具有更好的脱氢活性.     

Ni/Ce-Zr-Al-O催化剂的表面碱性和CO2＋CH4重整性能

用水热法制备了不同NiO含量的Ni/Ce-Zr-Al-O催化剂.用H2-TPD (程序升温脱附),DRIFTS(漫反射红外傅立叶变换光谱),CO2-TPD等方法考察了NiO的含量对催化剂表面碱性的影响,并和反应稳定性以及抗积碳性能相关联.H2-TPD结果表明,随NiO含量的增加,催化剂表面的Ni含量增加.DRIFT和CO2-TPD结果表明CO2的化学吸附主要是碳酸盐和碳酸氢盐形式.添加少量Ni能够使表面碱性位数量显著增加,碱强度减弱.Ni可能优先占据在催化剂表面较强的碱性位上,再增加Ni的含量则会使碱强度减弱,碱性位有所减少,降低CO2的吸附性能,从而减弱从CO2获得活动氧以消碳的能力.这种作用使NiO含量为7.0％(w)的样品活性随反应进行而减低,积碳量是NiO含量为4.0％(w)的样品的3.7倍.