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。     

过渡元素掺杂Fe3O4（001）表面磁电性能的理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算Fe₃O₄,Fe₃O₄（001）表面以及过渡元素掺杂表面的电子结构和磁性。结果表明Fe₃O₄的半金属性主要来源于B位Fe离子,并且Fe的3d轨道发生强烈自旋极化;比较（001）表面不同终端A和B终端的表面能和电子结构,得出两种终端稳定性存在差异且A终端较稳定同时表现半金属性;由过渡元素V、Cr、Mn、Co、Cu和Zn取代Fe₃O₄（001）表面A终端A位Fe进行掺杂,形成的6种新表面结构都保持了半金属性。对比它们的表面能和磁矩,Mn掺杂的表面结构最稳定并且磁矩明显增大。     

Cr掺杂对K2La2Ti3O10光催化活性的影响

通过溶胶-凝胶法制备了层状钙钛矿结构的K₂La₂Ti₃O₁₀及Cr掺杂的K₂La₂Ti₃O₁₀，采用X-射线衍射(XRD)、紫外可见漫反射光谱(DRS)、X射线光电子能谱(XPS)等对K₂La₂Ti₃O₁₀及Cr掺杂K₂La₂Ti₃O₁₀进行了表征。以I^-为电子给体、分别在紫外和可见光辐射下研究了K₂La₂Ti₃O₁₀及Cr掺杂K₂La₂Ti₃O₁₀光催化分解水的产氢活性。采用第一性原理，计算了Cr掺杂对K₂La₂Ti₃O₁₀半导体能带结构和态密度的影响，从电子结构的变化揭示了掺杂引起光催化活性差异的原因。结果表明，Cr的掺入能够改善和提高K₂La₂Ti₃O₁₀的光解水的产氢活性；Cr改善和提高K₂La₂Ti₃O₁₀的光解水的产氢活性存在一个最佳的掺杂浓度；当Cr与Ti的物质量的比为0.02∶1时，紫外光催化分解水产氢速率为1 500 μmol·L^-1·h^-1，可见光催化分解水产氢速率为83.6 μmol·L^-1·h^-1，分别为K₂La₂Ti₃O₁₀掺杂改性前产氢速率的26和5倍。     

可见光响应的Co3(PO4)2/Ag3PO4纳米复合光催化剂的制备及表征

采用简单的化学偏聚法合成出Ag₃PO₄纳米颗粒、磷酸钴（Co₃（PO₄）₂,CoP）纳米片以及它们两者的纳米复合结构（CoP/Ag₃PO₄）,同时还比较了它们的可见光催化活性. 采用场发射扫描电镜（FESEM）、X 射线衍射（XRD）、紫外-可见（UV-Vis）吸收光谱以及光致发光谱等手段对其形貌、结构、光学以及可见光催化性能等进行表征. 结果表明,CoP/Ag₃PO₄复合纳米结构的可见光降解甲基橙（MO）的速率和循环稳定性均明显优于其它两种物质. 这表明CoP应该起着共催化剂的作用,它能够抑制光生电子与空穴之间的复合,并且提供大量高活性的光生空穴. 此外,我们还发现CoP/Ag₃PO₄降解另一种阳离子型染料——罗丹明B（RhB）的能力则远不如纯Ag₃PO₄,这可能是与光催化剂的表面性质发生改变有关,造成更低的RhB吸附能力. 本文提供了一种廉价制备高效可见光催化剂的新方法.     

LixNi0.5Co0.5O2的态密度计算及电化学性能研究

>为获得综合性能更好的锂离子二次电池正极材料, 分析了Co掺杂对Li_xNiO₂电化学性能的影响. 采用密度泛函DFT理论对Li_xNiO₂和Li_xNi_0.5Co_0.5O₂的平均放电电压和态密度进行了计算. 同时, 用共沉淀法制备了Li_xNiO₂和Li_xNi_0.5Co_0.5O₂锂离子二次电池正极材料, 并对其进行了XRD结构分析和恒流充放电测试. 实验和计算结果表明: 随锂离子嵌入正极(电池放电), 电池的电压逐渐降低, 材料的态密度峰向低能量方向移动; 与Li_xNiO₂相比, Li_xNi_0.5Co_0.5O₂的电压平台相对较高(当0.25≤x≤0.5), 而且在Li^＋嵌/脱时, Li_xNi_0.5Co_0.5O₂的结构变化相对较小; Co离子的掺入, 减小了NiO₆八面体的畸变度, 使材料的电化学稳定性得以提高. 在钴掺杂镍酸锂体系中, NiO₆和CoO₆具有相互的稳定作用.     

一步醇-水热法合成高效的F掺杂BiVO4光催化剂

以NH₄F为掺杂前体,采用简单的一步醇-水热法制备了F掺杂BiVO₄光催化剂。利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis）和光致发光光谱（PL）表征了这些光催化剂的物理化学性质。在少量H₂O₂存在条件下,以可见光照射下光催化降解苯酚的反应测定了这些光催化剂的催化活性。研究表明,相较于未掺杂的BiVO₄样品而言,F掺杂BiVO₄样品不仅仍保留了单斜结构,而且有更高的结晶度、表面氧空位密度和光生电荷载流子分离效率,更强的光吸收和更低的带隙能。在这些F掺杂BiVO₄样品中,以n_F/n_Bi的理论值为1.0且带隙能为2.43 eV的F掺杂BiVO₄样品的光催化活性最好（90 min内苯酚的降解率可达95%）。这一优良的光催化性能与其具有最高的结晶度、表面氧空位密度和光生电荷载流子分离效率,最强的光吸收和最低的带隙能有关。     

稀土钠钨青铜化合物NaxLayWO3结构与导电性的理论研究

使用密度泛函理论研究了稀土钠钨青铜化合物的结构和导电性质. 在实验晶体结构数据的基础上构建Na_xWO₃和Na_xLa_yWO₃的模型分子, 优化其几何结构, 并与实验值比较. 在此基础上计算了化合物的能带结构和电子能态密度. 通过这些研究探讨当La^3＋取代Na_xWO₃的中心Na^＋后对结构和导电性的影响. 计算结果表明La^3＋的取代并没有改变结构的空间对称性, 但却使晶格参数和体积略有增大; 取代使电子结构发生了变化, 在费米面附近, 能带相互交叠更加密集, 电子出现的几率增加, 从而增加了其导电性. 这可能是掺杂后La^3＋的4f和5d电子的贡献使电子轨道杂化作用增强, 电子云密度分布重排的结果.     

氮缺陷对GaN/g-C3N4异质结电子结构和光学性能影响的第一性原理研究

基于密度泛函理论下的第一性原理平面波超软赝势方法,研究了单层GaN、g-C₃N₄、GaN/g-C₃N₄异质结及3种氮缺陷GaN/g-C₃N₄-V_XN （X=1、2、3）异质结的稳定性、电子结构、功函数及光学性能。计算结果表明,GaN/g-C₃N₄异质结体系晶格失配率极低（0.8%）,属于完全共格。与单层g-C₃N₄相比,GaN/g-C₃N₄和GaN/g-C₃N₄-V_XN （X=1、2、3）异质结的导带向低能方向偏移,价带上移,从而导致带隙减小,且态密度均显示出轨道杂化现象。GaN/g-C₃N₄和GaN/g-C₃N₄-V_XN （X=1、2、3）异质结在界面处均形成了电势差,在其内部形成了从g-C₃N₄层指向GaN层的内置电场。GaN/g-C₃N₄-V_1N异质结的界面电势差值最大且红移现象最为明显,表明GaN/g-C₃N₄-V_1N异质结相较其他2个N缺陷异质结光学性能最好。氮缺陷的引入在不同程度上提高了GaN/g-C₃N₄异质结在红外光区域的光吸收能力。     

LixNi0.5Co0.5O2的态密度计算及电化学性能研究

>为获得综合性能更好的锂离子二次电池正极材料, 分析了Co掺杂对Li_xNiO₂电化学性能的影响. 采用密度泛函DFT理论对Li_xNiO₂和Li_xNi_0.5Co_0.5O₂的平均放电电压和态密度进行了计算. 同时, 用共沉淀法制备了Li_xNiO₂和Li_xNi_0.5Co_0.5O₂锂离子二次电池正极材料, 并对其进行了XRD结构分析和恒流充放电测试. 实验和计算结果表明: 随锂离子嵌入正极(电池放电), 电池的电压逐渐降低, 材料的态密度峰向低能量方向移动; 与Li_xNiO₂相比, Li_xNi_0.5Co_0.5O₂的电压平台相对较高(当0.25≤x≤0.5), 而且在Li^＋嵌/脱时, Li_xNi_0.5Co_0.5O₂的结构变化相对较小; Co离子的掺入, 减小了NiO₆八面体的畸变度, 使材料的电化学稳定性得以提高. 在钴掺杂镍酸锂体系中, NiO₆和CoO₆具有相互的稳定作用.     

Ag2CO3/BiVO4复合微米片光催化剂的制备、表征及光催化机理

采用水热法制备粒径为1~2 μm的BiVO₄微米片,然后在微米片表面沉积不同含量的Ag₂CO₃颗粒,制备Ag₂CO₃/BiVO₄复合微米片光催化剂。利用X射线粉末衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、红外光谱（FTIR）、紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）、光致发光（PL）光谱、瞬态光电流-时间响应对催化剂进行表征。以可见光为光源,罗丹明B为降解对象进行光催化活性测试。结果表明,复合适量Ag₂CO₃有利于提高光催化剂的比表面积,改善催化剂的表面性能。活性测试结果表明,当复合10%（w/w）Ag₂CO₃时,Ag₂CO₃/BiVO₄光催化活性最佳,比纯BiVO₄提高4.4倍。光致发光（PL）光谱、瞬态光电流-时间响应测试结果表明,复合Ag₂CO₃能有效抑制光生电子与空穴的复合。自由基捕获实验结果表明,该体系的活性氧物质为空穴和羟基自由基。Ag₂CO₃/BiVO₄复合光催化剂活性提高的原因,是较宽带隙的Ag₂CO₃与较窄带隙的BiVO₄形成的异质结有效抑制了光生电子与空穴的复合,同时两者适宜的能带结构保证产生更多的空穴,从而具有更强的氧化能力。     

碳掺杂α-S_8的光学性质和弹性性质的第一性原理计算

采用第一性原理研究了C原子在光催化剂α-S8中掺杂后体系电子结构、能带结构、光学性质、弹性性质以及其各向异性的变化规律.结果表明C原子在α-S8中掺杂后新形成的C―S键键长变短、键的重叠布居数增加、电荷密度增加,表明新键的共价性变强.掺杂结构的带隙为2.64 eV,比纯α-S8的带隙小0.15 eV,表明掺杂后的结构导电性增强.掺杂结构的光吸收波长延长至650 nm左右,极大地提高了α-S8的光吸收效率.弹性性质计算表明C掺杂后α-S8的机械性能下降,但仍为脆性材料.各向异性的研究表明掺杂后的材料各向异性增强.     

g-C3N4碳位掺杂电学及光学性质的分析

使用第一性原理研究了C位掺杂的g-C₃N₄的电学性质和光学性质,掺杂原子为B、P、S. g-C₃N₄有C1位和C2 位两种对称位碳原子,其中在C1 位上的掺杂易于C2 位,掺杂体系也较C2 位稳定. 相比于磷和硫在g-C₃N₄上的掺杂,硼掺杂最易于进行. 掺杂后体系的晶体结构之间差别较大,这与掺杂原子的大小以及电负性有关. 由轨道布居分布可知,掺杂后的硼、磷、硫原子价电子发生了变化,表明掺杂原子发生了杂化,与相邻原子以强的共价键相连. 掺杂原子与被取代的碳原子之间的价电子差异导致了能带的增加. 在原来的体系中,掺杂后的体系出现了一条新的能带,因此导致实际带隙下降,表明了掺杂后的体系导电性能增强. 对纯g-C₃N₄及掺杂g-C₃N₄的光学性质分析表明,g-C₃N₄的光学吸收主要在紫外光区,掺杂磷和硫后对g-C₃N₄的光吸收波长范围无改变,掺杂硼后的g-C₃N₄光吸收不再局限于紫外光区,而且延伸至可见光区和红外光区,并在红外光区有很强的吸收,表明g-C₃N₄掺杂硼后能大大地提高光催化效率. 电子能量损失光谱和光导率谱以及介电常数都佐证了上述观点.     

The reflectivity spectra of ZnXP2 (X=Si, Ge, and Sn) compounds

Full Potential Augmented Plane Wave plus local orbital method ( FAPW+lo) calculations were performed for ZnSiP₂, ZnGeP₂, and ZnSnP₂ in the chalcopyrite structure in order to investigate the optical properties and to show the origin of the different optical transitions and their correspondence in the band structure. It is found that the most important features of the band gap is pseudo-direct for ZnSiP₂, indirect for ZnGeP₂, and direct for ZnSnP₂. Then the contribution of the different transitions peaks are analyzed from the imaginary part of the dielectric function and the reflectivity spectra.     

Study on mechanism of photocatalytic performance of La-doped TiO2/Ti photoelectrodes by theoretical and experimental methods

TiO₂ photoelectrodes with various nanostructures have been successfully prepared by the anodization method. The morphology, microstructure and optical properties of as-prepared photoelectrodes were studied by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), ultraviolet/visible light diffuse reflectance spectra (UV/vis/DRS), surface photovoltage spectroscopy (SPS) and photocurrent. The electronic structure and optical properties of La doped/undoped TiO₂ photoelectrodes with different crystal structures were calculated by the density function theory. The photocatalytic and photoelectrocatalytic activities of as-prepared photoelectrodes were evaluated. The results showed that the anodization potentials played a crucial role in the surface morphology and microstructure. Both results of theoretical calculations and experimental tests demonstrated that La-doped photoelectrodes were more sensitive to light than undoped one. The difference of photoelectrodes performance was ascribed to the crystal configuration, impurity energy levels and long-range orientation moving of photogenerated carriers.     

Electronic band structure and optical properties of titanium oxyphosphates Li0.50Co0.25TiO(PO4) single crystals: An ab-initio calculations

From the refined atomic positions obtained by Belmal et al. (2004) [1] using X-ray diffraction for Li_0.50Co_0.25TiO(PO₄), we have performed a structural optimization by minimizing the forces acting on the atoms keeping the lattice parameters fixed at the experimental values. With this relaxed (optimized) geometry we have performed a comprehensive theoretical study of electronic properties and dispersion of the linear optical susceptibilities using the full potential linear augmented plane wave (FP-LAPW) method. The generalized gradient approximation (GGA) exchange-correlation potential was applied. In addition, the Engel-Vosko generalized gradient approximation (EVGGA) was used for comparison with GGA because it is known that EVGGA approach yields better band splitting compared to the GGA. We have calculated the band structure, and the total and partial densities of states. The electron charge densities and the bonding properties were analyzed and discussed. The complex dielectric optical susceptibilities were discussed in detail.     

AgGa(S1-xSex)2固溶体的电子结构和光学性质

采用基于赝势平面波基组的密度泛函理论方法, 对一系列具有黄铜矿结构的AgGa(S_1-xSe_x)₂固溶体的构型、电子结构、线性和二阶非线性光学性质进行了系统研究. 结果表明, 各固溶体具有类似的能带结构, 体系带隙随x值增加而逐渐减小. 当所引入的Hartree-Fock交换项贡献为22.56%时, 对应的杂化PBE泛函得到的带隙值与实验结果相近. 固溶体的各种光学性质, 包括折射率、双折射率、反射率、吸收系数和二阶倍频系数等均随着组成的改变呈现出有规律的变化趋势, 变化范围介于AgGaS₂和AgGaSe₂二者之间. 因此, 利用固溶体光学性质的变化规律, 可从中寻找出具有特定光学性能的晶体材料.     

On the correct spin lattice for the spin-gapped magnetic solid NH4CuPO4·H2O

NH₄CuPO₄·H₂O is a spin-gapped compound that has been described in terms of an isolated antiferromagnetic spin dimer model. To explore the origin of this spin gap, we examined the spin exchange interactions of NH₄CuPO₄·H₂O by performing qualitative spin dimer analysis based on extended Hückel tight binding calculations and also by carrying out quantitative mapping analysis based on first principles density functional theory electronic band structure calculations. Our study indicates that, to a first approximation, the magnetic properties of NH₄CuPO₄·H₂O should be described by an antiferromagnetic and ferromagnetic alternating chain.     

基于第一性原理的无铅无机钙钛矿Cs3Bi2X9(X=Cl、Br、I)光电性能表面效应研究

用基于第一性原理的密度泛函理论方法,对Cs₃Bi₂X₉(X=Cl、Br、I)的光电特性进行理论计算,并系统阐述这3种晶体的表面效应对光电性能的影响。结果表明,3种材料的光学特性由铋原子和卤素原子最外层p轨道上的价电子主导。在可见光区中,材料的吸收峰会随卤素原子序数的增加呈现红移,其中一维结构的Cs₃Bi₂Cl₉表面结构在光吸收能力上尤为特别且敏感;二维结构的Cs₃Bi₂Br₉光吸收能力会受厚度影响;零维结构的Cs₃Bi₂I₉非常稳定,且几乎不受表面特性和晶体厚度的影响。     

基于第一性原理的无铅无机钙钛矿Cs3Bi2X9(X=Cl、Br、I)光电性能表面效应研究

用基于第一性原理的密度泛函理论方法,对Cs₃Bi₂X₉（X=Cl、Br、I）的光电特性进行理论计算,并系统阐述这3种晶体的表面效应对光电性能的影响。结果表明,3种材料的光学特性由铋原子和卤素原子最外层p轨道上的价电子主导。在可见光区中,材料的吸收峰会随卤素原子序数的增加呈现红移,其中一维结构的Cs₃Bi₂Cl₉表面结构在光吸收能力上尤为特别且敏感;二维结构的Cs₃Bi₂Br₉光吸收能力会受厚度影响;零维结构的Cs₃Bi₂I₉非常稳定,且几乎不受表面特性和晶体厚度的影响。