Ba3(BO3)(CO3)F: The First Borate Carbonate Fluoride Synthesized by the High-Temperature Solution Method

In contrast to the well-investigated halogen-containing borates and carbonates, very few halogen-containing borate carbonate compounds have been reported. Specifically, no example of borate carbonate fluoride has been synthesized successfully until now. Herein, the planar π-conjugated units [BO₃]³⁻ and [CO₃]²⁻ and the F⁻ ions are introduced simultaneously into one crystal structure resulting in the first borate carbonate fluoride, Ba₃(BO₃)(CO₃)F, by the high-temperature solution method in the atmosphere. Its structure features a hexagonal channel formed by the [BO₃]³⁻ and [CO₃]²⁻ units with the [F₃Ba₈]¹³⁺ trimers filled in the channel. Various characterizations including single crystal- and powder-XRD, EDX, IR, UV-vis-NIR, and TG-DSC, together with the first principles calculation have been carried out to verify the structure and fully understand the structure–property relationships.     

第一性原理研究Ag掺杂及缺陷共存对ZnO光催化性质的影响

运用第一性原理研究了Ag掺杂及缺陷共存对ZnO光电性质的影响。计算结果表明富O条件有利于Ag的掺杂,贫O条件不利于Ag的掺杂。Ag掺杂浓度较低时有利于模型的稳定,其在富O或贫O条件下都以Ag_Zn为主要掺杂方式。当Ag掺杂浓度较高时,富O条件下以Ag_Zn-Ag_Zn为主要掺杂方式,贫O条件下Ag_Zn-Ag_i是较为有利的掺杂方式。富O条件下Ag掺杂较难引入V_Zn和O_i共存缺陷。贫O条件下优先出现的模型为V_O,V_O在一定程度上会促进Ag的掺杂。Ag掺杂降低了ZnO的带隙宽度,掺杂浓度越大模型带隙宽度越窄。V_Zn、V_O和O_i缺陷共存不同程度地增加了Ag掺杂模型的带隙宽度。Ag掺杂及V_Zn和O_i缺陷共存均使ZnO吸收边红移至可见光区,扩展了ZnO对太阳光的吸收范围,而Ag_Zn-V_O在可见光范围内依然是透明。在低能区紫外-可见光范围内,Ag_Zn-Ag_Zn表现出更高的光吸收率,但是相应形成能也高于Ag_Zn。V_Zn的引入提高了Ag_Zn-V_Zn和Ag_Zn-Ag_Zn-V_Zn对低能区紫外-可见光的吸收,V_O的引入有利于ZnO表面吸附更多的O₂进而产生更多的H₂O₂和·HO强氧化性物质,即V_Zn和V_O缺陷共存都有利于ZnO光催化性能的提高。     

GGA+U方法研究C与Ti掺杂GaN的电子结构和光学性质

作为一种优良的半导体材料,GaN所具有的宽禁带导致其只能吸收可见光中的紫光,因此如何增加GaN材料对可见光的利用率是一个值得研究的问题,掺杂是解决这个问题常用的手段。本文利用第一性原理的方法对本征GaN,C单掺、Ti单掺、C-Ti共掺GaN四种体系的电子结构和光学性质做了计算和分析,结果表明:掺杂后的体系都具有良好的稳定性;掺杂后各体系的体积均增大,说明杂质的引入使体系晶格发生畸变,对光生空穴-电子对的分离有促进作用,进而提高材料的光催化性能;杂质元素的引入使体系能级发生劈裂,电子跃迁更加容易;掺杂后各体系的介电函数虚部主峰均向低能区移动,吸收谱均红移至可见光区域,其中共掺体系在蓝绿光区域的吸收系数最大,由此可以推测C-Ti共掺有助于提高GaN的光催化性能。     

不同笼占据率Ⅰ型甲烷水合物结构和光学性质的第一性原理研究

本文基于第一性原理计算,对三种不同结构的Ⅰ型甲烷水合物进行弛豫,得到优化后的结构、电子态密度及光学性质,通过对结果的分析揭示不同笼子占据率对水合物的结构和相关性质的影响。这三种结构分别为:(cI)只有一个大笼未被占据;(cII)只有一个小笼未被占据;(cIII)每个笼子都被甲烷分子占据。结果显示,cIII是最稳定的,因为它有完美的晶体结构;cII和cI相对较不稳定,其中cI在缺失一个甲烷分子的情况下,结构出现了较大的变形,这导致它成为三种情况中最不稳定的结构;相反,同样缺失了一个甲烷分子的cII的结构变形就很小。cII和cI的体积变化分别是0.56%和2.1%,cII的电子态密度和能带几乎与cIII的一致,而cI的则与前两者差别很大。计算结果表明,相对于电子转移,质子无序对水合物的介电常数的影响更为主要;甲烷水合物只对紫外光有响应,无论结构和占据率差异如何,甲烷水合物都具有相近的光学性质。本文的结果证明,缺失一个甲烷分子,对cII造成的影响很小,其晶体结构、介电常数和光学性质与cIII的一致,然而同样缺失一个甲烷分子的cI的结构及性质却出现了巨大变化。这些结果可为水合物探测提供有价值的参考。     

Ti3(ZnxAl1-x)C2固溶体热学、电学和力学性质的理论研究

采用第一性原理的密度泛函理论平面波赝势法, 通过投影缀加波(PAW)和广义梯度近似(GGA)系统地研究了Ti₃(Zn_xAl_1-x)C₂的结构、能量、声子性质、电子性质和弹性性质。对MAX相Ti₃AlC₂晶体中A位置的Al元素用Zn元素进行替换掺杂,构建出Ti₃(Zn_xAl_1-x)C₂(x=0,0.25,0.5,0.75,1)固溶体结构模型。计算分析表明:在所研究的掺杂浓度范围内Ti₃(Zn_xAl_1-x)C₂均是热力学、动力学和力学稳定的脆性材料;此外,Ti₃(Zn_xAl_1-x)C₂(x=0,0.25,0.5,0.75,1)均呈现金属性,在费米能级处的电子态密度主要贡献来自Ti-3d态,同时具有离子键、共价键和金属键的综合性质。随着Zn原子掺杂浓度的增加,在一定程度上其导电性和塑性均增强。     

理论设计ZnTiS3化合物光电性能的第一性原理计算

根据实验上合成LiNbO₃(LN)构型的ZnTiO₃铁电化合物,基于第一性原理的方法设计研究了化合物LN-ZnTiS₃(LN构型)的特性。计算结果表明LN-ZnTiS₃化合物满足力学稳定条件。根据化学势平衡相图分析,LN-ZnTiS₃在常压下不会形成稳定结构,但施加外部压力可以形成稳定结构。电子态密度和带隙的计算结果表明,LN-ZnTiS₃的价带顶(VBM)主要由S-p轨道组成,导带底(CBM)则由Ti-d轨道组成,硫原子的替代可以促进体系费米能级以上的电子状态大幅度下降到较低的能级,从而减小LN-ZnTiS₃的带隙。LN-ZnTiS₃的带隙计算值为1.04 eV,可以促进可见光的吸收,可以看出LN-ZnTiS₃是一种潜在的高效率光伏材料。     

P和As掺杂Mn4Si7第一性原理计算

采用第一性原理计算方法,对本征Mn₄Si₇以及P和As掺杂的Mn₄Si₇的电子结构和光学性质进行计算解析。计算结果表明本征Mn₄Si₇是带隙值为0.810 eV的间接带隙半导体材料,P掺杂Mn₄Si₇的带隙值增大为0.839 eV,As掺杂Mn₄Si₇的带隙值减小为0.752 eV。掺杂使得Mn₄Si₇的能带结构和态密度向低能方向移动,同时使得介电函数的实数部分在低能区明显增大,虚数部分几乎全部区域增加且8 eV以后趋向于零。此外掺杂还增加了高能区的消光系数、吸收系数、反射系数以及光电导率,明显改善了Mn₄Si₇的光学性质。     

超硬B-C-N材料的电子结构、硬度和光学性质的第一性原理计算

本文基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法计算了z-BC₂N和z-B₂CN的4种晶体结构的电子结构、硬度和光学性质。结果表明，z-BC₂N(2)为直接带隙半导体，其禁带宽度2.449 eV,z-BC₂N(1)为间接宽带隙半导体，其禁带宽度为3.381 eV,而z-B₂CN(1)和z-B₂CN(2)为导体；硬度结果显示z-BC₂N(1)、z-BC₂N(2)和z-B₂CN(1)为超硬材料。最后通过计算z-BC₂N基本光学函数与光子能量的关系表征了其光学性质。分析结果表明，z-BC₂N结构可以用作良好的耐磨材料和窗口耐热材料。     

(MgC)n (n=1~10)团簇结构稳定性及金属性第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理对同比例二元团簇(MgC)n (n=1~10)的结构稳定性和金属性进行比较系统的研究。结果显示：当原子总数N=2, 4, 6, 8, 12时,二元团簇的结构为平面形状,其余为对称性较低的三维构型,且Mg3C3为幻数结构。另外,在二元团簇的形成过程中,镁、碳原子并不是均匀分布于空间中,而是首先形成各自倾向的构型,再结合成团簇。同时,(MgC)n (n=1~10)二元团簇的基态结构在原子总数N=10时发生突变,由平面形向三维结构转变。此外,最高占据轨道和最低未占据轨道间的能隙值除N=8外呈逐渐降低的趋势,说明在同比例二元团簇随尺寸增加的演化中出现半导体性与金属性间的相互转变行为。     

The first-principle study on the equation of state of HMX under high pressure

The equation of states (EOS) of high energy explosive HMX (octahydro-1,3,5,7-tetranitro-1,3,5,7-tetrazocine) has been studied by using the first principle method. Our results include the lattice constants, elastic constants, and the dependence of total energy and pressure on volume for βand δ-HMX. The calculated elastic constants and the pressure-volume relationship of β-HMX are also compared with the experimental values. The theoretical tensile experiments are implemented on the β-HMX. The atomic-scale ana...