Ba0.5Ca0.5ZrO3电子结构和光学性质的第一性原理研究

从第一性原理出发,利用密度泛函理论体系下的广义梯度近似,研究了Ba0.5Ca0.5ZrO3的电子结构和光学性质.计算得到该晶体的晶格常数为4.1823 A,且此材料是一种间隙的半导体材料,价带和导带都来源于Ba原子、Ca原子、Zr原子的d态和O原子的p态电子间的杂化.吸收系数为105 cm-1量级,且吸收主要集中在低能区.静态折射率为1.79,能量损失峰出现在10.8 eV处.该研究结果为Ba0.5Ca0.5ZrO3光电材料的设计和应用提供了理论依据.     

新型Heusler合金RuMn2Sn的磁性形状记忆的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,对新型Heusler合金RuMn₂ Sn的晶体结构、电子结构、磁性、四方变形等性质进行了系统的研究.研究结果表明:1)在奥氏体态下,磁性原子Mn对体系总磁矩的贡献最大,其中Mn（A）和Mn（B）原子磁矩的值不等并且呈反平行耦合,导致RuMn₂ Sn具有稳定的亚铁磁基态,该结果与实验一致;2)由XA型立方结构至四方结构的四方变形中,发现c/a约为1.23处存在一个能量更低的稳定的马氏体相,其呈现反铁磁的特性;3)在奥氏体态和马氏体态下,Mn（A）和Mn（B）原子之间弱的d-d直接交换作用是维持它们之间亚铁磁和反铁磁耦合的主要原因.根据上述计算结果,预测RuMn₂ Sn具有良好的磁性形状记忆效应.     

掺杂MgCNi3超导电性和磁性的第一性原理研究

从第一性原理出发，计算了MgCNi₃的电子能带结构.MgCNi₃中C 2p与Ni 3d轨道杂化使穿梭费米面上的Ni 3d能带表现出平面性，费米面落在态密度范霍夫奇异(vHs)峰的右坡上.vHs峰上大的电子态密度和铁磁相变点附近的自旋涨落是决定MgCNi₃超导电性的重要因素.研究了三种替代式掺杂对其超导电性和磁性的影响，发现电子掺杂使费米能级下滑到态密度较低的位置，导致体系转变为无超导电性的顺磁相；同构等价电子数的金属间化合物的轨道杂化，引起费米面上态密度的减少，降低了超导电性；而空穴掺杂使费米面向vHs峰值方向移动，虽然费米面上电子态密度增大可能提高超导电性，但增强了的Ni原子磁交换作用产生铁磁序，破坏了超导电性. 关键词： 电子结构 超导电性 磁性 掺杂     

分子动力学研究表面缺陷对硅纳米线杨氏模量的影响

硅纳米线因受量子尺寸效应与表面效应的影响而具有奇特的力、电及其耦合特性,成为了纳米电子器件的核心构件.然而在硅纳米线的制备过程中,表面产生缺陷不可避免.因此本文采用分子动力学方法着重研究了表面缺陷浓度对不同横截面形状(正方形、六角形和三角形)的[110]晶向和[111]晶向硅纳米线杨氏模量的影响.研究结果表明,当硅纳米线仅有单一表面缺陷时,不同晶向硅纳米线的杨氏模量均随表面缺陷浓度增加而迅速单调减小.当表面缺陷浓度为10%时,杨氏模量的减小幅度在10%-20%之间,减小幅度的差异与硅纳米线的晶向以及横截面形状密切相关.当存在多个表面缺陷时,杨氏模量随着缺陷浓度的增加表现出了不同程度的波动趋势.三角形截面硅纳米线的杨氏模量波动幅度最大,正方形截面的波动较小,即表面缺陷分布的不同对正方形截面硅纳米线的杨氏模量影响较小,这表明表面缺陷的影响与其分布及硅纳米线的横截面形状密切相关.通过与实验结果对比,本文的研究结果揭示了表面缺陷是导致硅纳米线杨氏模量实验值变小的重要因素,因此在表征硅纳米线的力学性能时,需要考虑表面缺陷的影响.     

YPd3X（X=B,C）晶体结构、弹性性质与电子结构的第一性原理研究

在广义梯度近似（GGA）和GGA+U（在位库仑势）下,采用第一性原理方法系统地研究了三元过渡金属硼碳化合物YPd3X(X＝B,C)的晶体结构、弹性性质、电子结构和成键特性．计算的晶格参数和体弹性模量均与报道的实验结果吻合,而YPd3X(X＝B,C) 的弹性参数计算值则表明YPd3C的硬度大于YPd3B．根据晶体机械稳定标准得到YPd3B和YPd3C的失稳临界压强分别约为16.5GPa和23GPa．由Pugh经验关系可知YPd3X(X=B,C)均属于韧性材料,且YPd3B的韧性略高于YPd3C．电子能带结构分析表明YPd3B和YPd3C均具有金属特性,且导电能力相当．由态密度和电荷密度分析得知,X与Pd之间形成较强的共价键,而Y与Pd3X之间形成离子键,化学键键能的不同是两种材料的弹性参数存在差异的内在原因．上述的研究结果为YPd3X(X=B,C)的力电材料的设计和应用提供了一定的理论依据．     

掺杂BaHfO3电子结构与力学性能的第一性原理研究

在广义梯度近似（GGA）下,采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了掺杂对BaHfO3的电子结构与力学性能的影响．电子结构计算表明：优化的BaHfO3晶格常数与实验值吻合较好,BaHfO3为一种间接带隙的绝缘体材料．掺杂Sr和Ti后该材料仍为间接带隙材料,Ba0.5Sr0.5HfO3的带隙增大,绝缘体特征增强,而BaHf0.5Ti0.5O3的带隙显著减小,呈现出半导体材料的特征．由态密度分析可知,掺杂后带隙的变化主要是由于导带底的移动造成的．力学性能分析表明：与BaHfO3相比,Ba0.5Sr0.5HfO3的剪切模量和杨氏模量均明显减小,材料硬度减弱;BaHf0.5Ti0.5O3的剪切模量及杨氏模量均明显增大,材料硬度增强．电子密度分布分析揭示了掺杂改变体系价电子浓度的分布情况,使BaHfO3的价健特性发生了变化,这是材料硬度改变的内在原因．可见,掺杂能够有效地调控体系的硬度,该研究结果为掺杂BaHfO3力电材料的设计与应用提供了理论依据．     

相对湿度对大气气溶胶消光系数的影响

消光系数是气溶胶颗粒物光学性质的关键参数之一。基于Mie散射理论和气溶胶颗粒粒径及折射率的湿度增长模型,本文详细研究了气溶胶吸湿性对其消光系数的影响。计算结果表明:当入射光波长为808nm、相对湿度在60%~95%之间增加时,因颗粒粒径的增长及折射率的减小,导致颗粒物消光系数曲线右移且其波动性更加明显;而对于同一球形颗粒,小粒径颗粒的消光系数随相对湿度的增加呈指数规律增大,较大粒径颗粒的则表现为波动减小趋势。此外,在不同入射光条件下,小颗粒消光系数与相对湿度之间的关系保持不变。本文的计算结果对气溶胶光学性质与大气环境质量的研究具有一定的参考价值。     

第一性原理研究[111]晶向硅纳米线电子结构,光学性质与压阻特性的应变效应

基于密度泛函理论体系下的广义梯度近似(GGA),利用第一性原理方法计算研究了单轴应变对[111]晶向硅纳米线的电子结构、光学性质以及压阻性质的影响.能带结构和光学性质的结果表明:压应变导致硅纳米线的带隙明显线性减小,且使其由直隙半导体转变为间隙半导体,而施加拉应变后硅纳米线仍为直隙半导体材料,但是带隙略有减小,且价带顶附近的能带线产生了较为复杂的变化.由于能带的应变效应导致其光学性质也相应发生了较大改变:拉应变使硅纳米线的介电峰出现宽化现象,低能区内的光吸收增强,静态折射率和反射率峰值增大,而压应变的效果则相反.结合能带结构与压阻系数计算模型得到的压阻特性结果表明:随着压应变的增加压阻系数单调减小,这主要归因于空穴浓度随压应变显著变化引起的;而拉应变作用时,压阻系数呈现波动趋势,这主要是由于空穴有效传输质量的增加程度和载流子浓度的增加程度不同而相互竞争导致的.上述计算结果表明,设计基于硅纳米线的光电和力电器件时,需考虑其应变效应.     

Influences of surface effects and large deformation on the resonant properties of ultrathin silicon nanocantilevers

The purpose of the present work is to quantify the influences of the discrete nature,the surface effects,and the large deformation on the bending resonant properties of long and ultrathin 100 silicon nanocantilevers.We accomplish this by using an analytical semi-continuum Keating model within the framework of nonlinear,finite deformation kinematics.The semi-continuum model shows that the elastic behaviors of the silicon nanocantilevers are size-dependent and surfacedependent,which agrees well with the molecular dynamics results.It also indicates that the dominant effect on the fundamental resonant frequency shift of the silicon nanocantilever is adsorption-induced surface stress,followed by the discrete nature and surface reconstruction,whereas surface relaxation has the least effect.In particular,it is found that a large deformation tends to increase the nonlinear fundamental frequency of the silicon nanocantilever,depending not only on its size but also on the surface effects.Finally,the resonant frequency shifts due to the adsorption-induced surface stress predicted by the current model are quantitatively compared with those obtained from the experimental measurement and the other existing approach.It is noticed that the length-to-thickness ratio is the key parameter that correlates the deviations in the resonant frequencies predicted from the current model and the empirical formula.     

Mechanical properties an undercut evaluated resonance test and of silicon nanobeams with by combining the dynamic finite element analysis

Mechanical properties of silicon nanobeams are of prime importance in nanoelectromechanical system applications. A numerical experimental method of determining resonant frequencies and Young＇s modulus of nanobeams by combining finite element analysis and frequency response tests based on an electrostatic excitation and visual detection by using a laser Doppler vibrometer is presented in this paper. Silicon nanobeam test structures are fabricated from silicon-oninsulator wafers by using a standard lithography and anisotropic wet etching release process, which inevitably generates the undercut of the nanobeam clamping. In conjunction with three-dimensional finite element numerical simulations incorporating the geometric undercut, dynamic resonance tests reveal that the undercut significantly reduces resonant frequencies of nanobeams due to the fact that it effectively increases the nanobeam length by a correct value △L, which is a key parameter that is correlated with deviations in the resonant frequencies predicted from the ideal Euler-Bernoulli beam theory and experimentally measured data. By using a least-square fit expression including △L, we finally extract Young＇s modulus from the measured resonance frequency versus effective length dependency and find that Young＇s modulus of a silicon nanobeam with 200-nm thickness is close to that of bulk silicon. This result supports that the finite size effect due to the surface effect does not play a role in the mechanical elastic behaviour of silicon nanobeams with thickness larger than 200 nm.