空位浓度对纤锌矿CdS电子结构和光学性质影响的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,采用第一性原理研究了含Cd空位缺陷CdS和含S空位缺陷纤锌矿CdS的几何结构、能带结构、电子态密度及光学性质。通过计算分析可知,含Cd空位缺陷的CdS体系均为p型半导体,含S空位缺陷的CdS体系跃迁方式均由直接跃迁变为间接跃迁。Cd、S空位缺陷的CdS体系的态密度总能量降低。空位CdS体系相较于本征CdS体系的静介电常数均有提高,并随着空位浓度的增大而增大,Cd空位缺陷体系更为明显,极化能力得到显著提升。空位Cd的CdS体系相较于本征CdS体系在红外波段存在明显的吸收,空位S的CdS体系相较于本征CdS体系在可见光波段存在明显的吸收。     

In原子替位位置对新型正交GaN影响的第一性原理研究

铟(In)原子替位位置对开发新型正交GaN的储氢材料具有重要意义。当前关于In原子替位位置对正交GaN材料的影响研究相对薄弱。本文基于第一性原理研究了不同In原子替位位置下InGaN材料的形成能、电子结构、弹性特性和力学稳定性。结果表明,通常情况下间隔三个原子的In原子替位位置的形成能最小且该体系最易形成。在相同的掺杂情况下,该结构的InGaN材料也具有较大的带隙宽度以及较小的弹性模量、体积模量、剪切模量与弹性模量,这意味着其抗压能力、抗剪切应力的能力较弱,韧性以及硬度较低。此外,声子谱计算结果表明,间隔三个原子的InGaN材料在环境压力下也具有良好的力学稳定性。本研究为正交GaN的新型储氢超材料的研究提供了理论依据。     

双轴应变对g-ZnO/WS2异质结电子结构及光学性质影响的第一性原理计算

单层g-ZnO由于吸收光谱宽而受到研究者关注,但载流子复合是单层g-ZnO作为光催化剂无法避免的问题,如何降低电子空穴对复合率,提高单层g-ZnO对可见光利用率成为值得研究的问题,搭建异质结并对其进行双轴应变是一种可行的办法。本文采用第一性原理方法,研究双轴应变对g-ZnO/WS₂异质结电子结构及光学性质的调控规律。结果表明:g-ZnO/WS₂异质结禁带宽度为1.646 eV,由于异质结体系内部产生内置电场,降低了其光生载流子的复合率,同时异质结光吸收带边拓展至可见光区域。对异质结实施应变后,除压缩应变(-2.5%)体系外,其余应变体系吸收带边均出现红移现象,并且红移程度和对电荷的束缚能力均随着应变的增加而增强。相比于未实施应变的体系,应变体系对光生电子载流子的阻碍作用更强,其光催化能力得到更大提高。以上结果说明搭建g-ZnO/WS₂异质结并对其进行双轴应变对异质结的电子结构及光学性质具有显著的调控作用,使其在窄禁带及红外、可见光半导体器件和光催化材料等领域具有应用价值。     

稀土元素掺杂对VH2解氢性能的影响

采用密度泛函理论(DFT)的第一性原理的平面波超软赝势方法,研究了La, Ce和Pr掺杂对VH₂的 电子结构和解氢性能的影响.计算结果显示La, Ce和Pr掺杂VH₂后晶体模型的费米能级E_f处 电子浓度N (E_f)的增加,表明体系结构稳定性减弱,解氢能力增强; 电子密度计算也显示V-H之间相互作用减弱,解氢能力增强;同时Mulliken布居数计算结果还显示掺杂以后 解氢能力增强与V-d轨道Mulliken布居数减少, V-s轨道Mulliken布居数增加有关.     

自旋转换配合物[Fe（C4H4N2）｛Pt（CN4）｝]晶体结构及低温相的研究

本文对自旋转换配合物[Fe(C4H4N2){Pt(CN4)}]进行了晶体结构的理论研究,分析表明XRD测量给出的结构只是一个理想化的结构,不适用于理论计算.我们通过第一性原理计算给出的晶格结构空间群为P2/m,相比较XRD的理想结构的空间群P4/m,其对称性降低,该体系实际属于单斜晶系,而不是测量中所给出的四方晶系的结构.通过对比实验数据特别是对低温相的分析,看出对该配合物的理论计算得出的结构常数及键长与实验数据相吻合.用局域密度近似和广义梯度近似算得的低温相的能量分裂分别为2.7824eV和2.5617eV,故低自旋态为低温相的稳态,这也与实验结论很好的吻合.     

Hf-C体系的高压结构预测及电子性质第一性原理模拟

本论文中, 采用晶体结构预测软件USPEX结合第一性原理方法全面地搜索了Hf-C体系在高压下的晶体结构, 预测得到了两种新的化合物及HfC在高压下的相变路径. 压力低于100 GPa 时, 除了常压下的结构HfC, Hf₃C₂, Hf₆C₅, 并没有得到新的热力学稳定结构. 在200 GPa时, 预测得到了一种新化合物——Hf₂C, 空间群为I4/m; 且HfC的结构发生了相变, 空间群由Fm3m变为C2/m. 在300 GPa时, 预测得到了另一种新化合物——HfC₂, 空间群为Immm. 而在400 GPa时, HfC的结构再次发生相变, 空间群为Pnma. 通过能量计算, 得到了Hf-C体系的组分-压力相图: 在压力分别低于15.5 GPa和37.7 GPa时, Hf₃C₂和Hf₆C₅是稳定的; 压力分别大于102.5 GPa和215.5 GPa时, Hf₂C和HfC₂变成稳定化合物; HfC的相变路径为Fm3m→C2/m→Pnma, 相变压力分别为185.5 GPa 和322 GPa. 经结构优化后, 得到了这四种高压新结构的晶体学数据, 如晶格常数、原子位置等, 并分析了其结构特点. 对于Hf-C 体系中的高压热力学稳定结构, 分别计算了其弹性性质和声子谱曲线, 证明是力学稳定和晶格动力学稳定的. 采用第一性原理软件VASP模拟高压结构的能带结构、态密度、电子局域函数和Bader 电荷分析, 发现HfC(C2/m, Pnma结构), Hf₂C 和HfC₂ 中Hf-C 键具有强共价性、弱金属性和离子性, 且C-C 间存在共价作用.     

第一性原理研究钨掺杂对锐钛矿物性的影响

在实验上, W掺杂量在0.02083–0.04167的范围内时, 有关掺杂体系的电导率影响的研究有两种相悖的结论. 为解决这个问题, 本文采用第一性原理平面波模守恒赝势方法, 首先构建了两种Ti_0.97917W_0.02083O₂ 和Ti_0.95833W_0.04167O₂ 超胞模型, 分别对这两种模型进行了几何结构优化、能带结构分布和态密度分布计算. 同时还计算了掺杂体系的电子浓度、有效质量、迁移率和电导率. 计算结果表明, 在电子自旋极化或电子非自旋极化的条件下, W掺杂浓度越大、掺杂体系的电子浓度越大、有效质量越小、迁移率越小、电导率越大、导电性能越强. 由电离能和Bohr半径分析进一步证实了Ti_0.95833W_0.04167O₂ 超胞的导电性能优于Ti_0.97917W_0.02083O₂ 超胞. 为了研究掺杂体系的结构稳定性和形成能, 又分别构建了Ti_0.96875W_0.03125O₂, Ti_0.9375W_0.0625O₂两种超胞模型, 几何结构优化后进行了计算, 结果表明, 在电子自旋极化或电子非自旋极化的条件下, 在W掺杂量为0.02083–0.04167的范围内, W掺杂浓度越大、掺杂体系的总能量越高、稳定性越差、 形成能越大、掺杂越困难. 将掺杂体系的晶格常数与纯的锐钛矿TiO₂相比较, 发现沿a轴方向的晶格常数变大、沿c轴方向的晶格常数变小、掺杂体系的体积变大, 计算结果与实验结果相符合. 在电子自旋极化的条件下, 掺杂体系形成了半金属化的室温铁磁性稀磁半导体.     

High-throughput computational material screening of the cycloalkane-based two-dimensional Dion—Jacobson halide perovskites for optoelectronics

Two-dimensional (2D) layered perovskites have emerged as potential alternates to traditional three-dimensional (3D) analogs to solve the stability issue of perovskite solar cells. In recent years, many efforts have been spent on manipulating the interlayer organic spacing cation to improve the photovoltaic properties of Dion—Jacobson (DJ) perovskites. In this work, a serious of cycloalkane (CA) molecules were selected as the organic spacing cation in 2D DJ perovskites, which can widely manipulate the optoelectronic properties of the DJ perovskites. The underlying relationship between the CA interlayer molecules and the crystal structures, thermodynamic stabilities, and electronic properties of 58 DJ perovskites has been investigated by using automatic high-throughput workflow cooperated with density-functional (DFT) calculations. We found that these CA-based DJ perovskites are all thermodynamic stable. The sizes of the cycloalkane molecules can influence the degree of inorganic framework distortion and further tune the bandgaps with a wide range of 0.9—2.1 eV. These findings indicate the cycloalkane molecules are suitable as spacing cation in 2D DJ perovskites and provide a useful guidance in designing novel 2D DJ perovskites for optoelectronic applications.     

MOLECULAR DYNAMICS SIMULATION OF INTERFACIAL DEFECTS WITH MODIFIED POTENTIAL BASED ON THE FIRST-PRINCIPLE

The interfacial molecular structure of materials with different lattice constants is simulated by using the method of molecular dynamics （MD）. Potential of modified analytical embedded atom method （MAEAM） is used for nominterfacial atoms. To simulate the state of interracial atoms, further modifications are applied to the MAEAM potential based on the first- principle simulation results. It is concluded that a small change of potential may greatly influence the interfacial molecular structure. Void and diffusions can be observed in the simulation results. It is also found that the pre-existed dot defects before bonding can decrease the number of interfacial defects greatly, thereby, can increase the strength of the interface.     

First-principle study of geometries, electronic structures and vibrational spectra of neutral and anionic onion-like [As@Ni12@As20］

We present results of first-principle study for both neutral and anionic onion-like [As@Ni₁₂@As₂₀］. The ground-states of singly-charged and doubly-charged anions deviate from ideal I_h symmetrical geometry because of Jahn--Teller effect, whereas the triply-charged singlet and neutral quartet have similar stable geometries of I_h symmetry. The infrared and Raman spectra may provide a way to determine various charge states of this molecule with the same symmetry. Based on our systematical calculations, we suggest additional experimental measurements in order to determine the appropriate functional with great confidence, which should be important in the research for future quantum dot devices.