Al,Fe, Mg掺杂Li2MnSiO4的电子结构和电化学性能的第一性原理研究

硅酸锰锂作为锂离子电池正极材料因具有高的理论电容量而一直备受关注, 但其较低的导电率和较差的循环性能阻碍了进一步的发展. 采用第一性原理广义梯度近似GGA+U的方法, 研究了Al, Fe, Mg掺杂Li₂MnSiO₄的电子结构、 脱嵌锂电压和导电性. 研究发现, Al 掺杂的Li₂Mn_0.5Al_0.5SiO₄结构中载流子的数目增加, 电子自旋向上和向下的态密度均穿过费米能级, 呈现金属特性, 提高了体系的导电率. 脱锂Li_xMnSiO₄ (x=1, 0)结构中, 通过计算一次脱锂相结构的形成能得到Al掺杂的一次脱锂结构最稳定, 并且Al掺杂的脱锂相结构体积变化小, 有利于材料循环性能的提高, 同时第一个锂离子脱嵌电压与未掺杂时(4.2 V)相比降低到2.7 V. Fe掺杂降低了Li₂MnSiO₄的带隙, 第一个锂离子脱嵌电压降低到3.7 V. 研究表明, Al的掺杂效果优于Fe和Mg, 更利于硅酸锰锂电化学性质的提高.     

A polyene chain of canthaxanthin investigated by temperature-dependent resonance Raman spectra and density functional theory （DFT） calculations

We report on a temperature-dependent resonance Raman spectral characterization of the polyene chain of canthax- anthin. It is observed that all vibrational intensities of the polyene chain are inversely proportional to temperature, which is analyzed by the resonance Raman effect and the coherent weakly damped electron/lattice vibrations. The increase in intensity of the CC overtone/combination relative to the fundamental with temperature decreasing is detected and discussed in terms of electron/phonon coupling and the activation energy Uop. Moreover, the polyene chain studies using the density functional theory B3LYP/6-31 G＊ level reveal a prominent peak at 1525 cm-1 consisting of two closely spaced modes that are both dominated by C=C stretching coordinates of the polyene chain.     

共振拉曼光谱方法研究生长期与光照对树椒果实β-胡萝卜素含量的影响

利用共振拉曼光谱技术,在体测量了室内盆栽树椒果实的拉曼光谱.实验结果表明,树椒果实的β-胡萝卜素含量随成熟期临近而增加,成熟期后(约45天)达最高值;没受光照的树椒果实β-胡萝卜素含量明显低于接受阳光照射的果实含量;生长(成熟)前期受阳光照射部位由黄白色变为紫色,其β-胡萝卜素含量高于其他部位.本文为在体分析水果蔬菜中β-胡萝卜素含量提供了方法和依据,也验证了阳光在植物生长中的作用.     

HoVO4相变的高压拉曼光谱和理论计算研究

利用高温固相反应法制备了纯相的HoVO₄,并在0–21.25 GPa压强范围内测定了HoVO₄的拉曼光谱. 通过分析其拉曼峰的频移和劈裂变化情况,发现HoVO₄在9.3 GPa发生相变. 根据第一性原理选取并优化相似体系的高压晶体结构,将其与HoVO₄的常压锆石矿型I4₁/amd结构进行了能量比较,确认HoVO₄ 相变结构为白钨矿型结构（I4₁/a）. 研究结果表明,HoVO₄具有ScVO₄和YVO₄体系的从锆石矿型结构（I4₁/amd）至白钨矿型结构的相变过程. 分析对应结构相的体积随压强的变化,发现体积坍塌对该相变起重要作用. 上述研究结果有助于了解HoVO₄的高压结构以及该材料在高压特殊条件下的应用. 关键词： 锆石矿型结构 白钨矿型结构 拉曼光谱 第一性原理     

Na+替位掺杂对Li2MnSiO4的电子结构以及Li+迁移过程的影响

在锂二次电池中, 硅酸锰锂作为正极材料得到广泛研究, 但其固有的电子和离子电导率较低, 直接影响着电池的功率密度和充放电速率. 本文建立了不同浓度的Na⁺离子替位掺杂Li⁺离子形成的Li_1-xNa_xMnSiO₄(x=0, 0.125, 0.25, 0.5)结构, 采用第一性原理的方法, 研究了掺杂前后硅酸锰锂的电子结构以及Li⁺离子的跃迁势垒. 发现在Li⁺位替代掺杂Na⁺, 导带底的能级向低能方向发生移动, 降低了Li₂MnSiO₄ 材料的禁带宽度, 有利于提升材料的电子导电性能. 随着掺杂浓度的升高, 禁带宽度逐渐变窄. CI-NEB结果表明, 在Li₂MnSiO₄体系中具有两条有效的Li⁺离子迁移通道, 掺杂Na⁺以后扩大了Li⁺ 离子在[100]晶向上的迁移通道, Li⁺离子的跃迁势垒由0.64 eV降低为0.48, 0.52和0.55 eV. 掺杂浓度为 x=0.125时, 离子迁移效果最佳. 研究表明Na⁺掺杂有利于提高Li₂MnSiO₄材料的离子和电子电导率.     

表面共振圆环结构对Si纳米线热传导的调控

利用声子的波动性,在纳米线表面引入共振结构,可以有效阻碍声子输运.为进一步优化共振结构,本文基于平衡态分子动力学(EMD)方法,研究表面共振圆环结构的高度和宽度对Si纳米线热输运性质的影响.结果表明：随着共振圆环高度的增加,Si纳米线的热导率逐渐减小,最大减幅可达61.9%.当高度达到2nm以后,热导率基本不再变化.共振圆环宽度则对热导率的影响较小.声子色散关系中出现的平带,证实了共振圆环引起的声子共振效应;最低共振频率的变化说明了共振圆环中的声子波长决定了共振圆环高度对纳米线热导率的最大影响程度.研究进一步发现,随着共振圆环高度的增加,声学支声子对热导率贡献的比重变小.本文研究结果对高效热电材料和隔热材料的微纳结构设计提供了一种新的思路.     

High-pressure-activated carbon tetrachloride decomposition

The pressure-induced molecular dissociation as one of the fundamental problems in physical sciences has aroused many theoretical and experimental studies. Here, using a newly developed particle swarm optimization algorithm, we investigate the high-pressure-induced molecular dissociation. The results show that the carbon tetrachloride （CC14） is unstable and dissociates into C2C16 and C12 under approximately 120 GPa and more. The dissociation is confirmed by the lattice dynamic calculations and electronic structure of the Pa3 structure with pressure evolution. The dissociation pressure is far larger than that in the case of high temperature, indicating that the temperature effectively reduces the activation barrier of the dissociation reaction of CC14. This research improves the understanding of the dissociation reactions of CC14 and other halogen compounds under high pressures.     

高压下锗化镁的金属化相变研究

锗化镁是一种窄带半导体,压力作用可以使锗化镁导带底与价带顶的能隙变小.本文基于第一性原理计算了锗化镁在高压下的能带结构以及反萤石相(常压稳定相)和反氯铅矿相(高压相)的焓值,发现在7.5 GPa时反萤石结构锗化镁导带底与价带顶的能隙闭合,预示着半导体相转变为金属相,计算结果还预测在11.0 GPa时锗化镁发生从反萤石结构到反氯铅矿结构的相变.实验研究方面,本文采用长条形压砧在连续加压条件下测量了锗化镁高压下的电阻变化,采用金刚石对顶压砧测量了锗化镁的高压原位拉曼光谱,发现在8.7 GPa锗化镁的电阻出现不连续变化,9.8 GPa以上锗化镁的拉曼振动峰消失.由于金属相的自由电子浓度高会阻碍激发光进入样品,进而引起拉曼振动峰消失,因此我们推测锗化镁在9.8 GPa转变为金属相.     

碳纳米管-石墨烯纳米带过渡连接处的力学稳定性与热传导性质研究

任何的非平面连接,材料连接处的材料失配都能导致材料局部或整体性质的改变.本文以纵向拉开的碳纳米管(CNT)为研究对象,采用非平衡态分子动力学(NEMD)的模拟方法,通过改变CNT纵向拉开的剧烈程度,即CNT向石墨烯纳米带(GNR)过渡转变的开角大小,研究其力学稳定性和热传导性质的变化.结果表明,CNT到GNR的过渡越剧烈,连接处的开角越大,其局部热导率越高,单位长度的热阻越小;对于不同管径的CNT来说,连接处的最大开角恒定不变,为16.3°.