α-SrMnO3电子结构的第一性原理研究

采用平面波赝势方法对钙钛矿型锰酸盐氧化合物α-SrMnO3的电子结构进行了第一性原理研究. 六方钙钛矿型结构α-SrMnO3化合物为磁性绝缘体, 磁基态对应于共面八面体及共顶点八面体间的磁性交换作用均为反铁磁性(AFM), 其禁带宽度为1.6 eV; 费米能级附近的Mn3d态与O2p态存在很强的杂化作用, 属于共价绝缘体, 这种强共价性使得Mn4+的自旋磁矩偏离理想值. 采用Noodleman的对称性破缺方法, 根据α-SrMnO3不同磁有序态的总能量拟合出α-SrMnO3中的自旋交换耦合常数. α-SrMnO3的局部微结构(Mn—O—Mn)决定了整个体系的特殊磁性交换作用. 共面及共顶点的八面体间均存在AFM交换作用, 并且共顶点八面体间的AFM作用比较强.  

The First Principle Calculation of Electronic Structure and Optical Properties of CdGeAs_2

The electronic structure and optical properties of CdGeAs2 were calculated by the first principle method using ultra-soft pseudo-potential approach of the plane wave based upon density functional theory （DFT）. Mulliken population analysis showed that atomic orbital hybridization occurs when forming chemical bonds. The relationship between inter-band transition and optical properties was analyzed to provide a theoretical basis for investigating or controlling CdGeAs2 crystal defects.  

N／F掺杂和N-F双掺杂锐钛矿相TiO2（101）表面电子结构的第一性原理计算

采用密度泛函理论(DFT)平面波赝势方法计算了N/F掺杂和N-F双掺杂锐钛矿相TiO2(101)表面的电子结构.由于DFT方法存在对过渡金属氧化物带隙能的计算结果总是与实际值严重偏离的缺陷,本文也采用DFT+U(Hubbard系数)方法对模型的电子结构进行了计算.DFT的计算结果表明N掺杂后,N2p轨道与O 2p和Ti 3d价带轨道的混合会导致TiO2带隙能的降低,而F掺杂以及氧空位的引入对材料的电子结构没有明显的影响.DFT+U的计算却给出截然不间的结果,N掺杂并没有导致带隙能的降低,而只是在带隙中引入一个孤立的杂质能级,反而F掺杂以及氧空位的引入带来明显的带隙能降低.DFT+U的计算结果与一些实验测量结果能够较好地符合.  

N/F掺杂和N-F双掺杂锐钛矿相TiO2(101)表面电子结构的第一性原理计算

采用密度泛函理论(DFT)平面波赝势方法计算了N/F掺杂和N-F双掺杂锐钛矿相TiO2(101)表面的电子结构. 由于DFT方法存在对过渡金属氧化物带隙能的计算结果总是与实际值严重偏离的缺陷, 本文也采用DFT+U(Hubbard 系数)方法对模型的电子结构进行了计算. DFT的计算结果表明N掺杂后, N 2p轨道与O 2p和Ti 3d价带轨道的混合会导致TiO2带隙能的降低, 而F掺杂以及氧空位的引入对材料的电子结构没有明显的影响. DFT+U的计算却给出截然不同的结果, N掺杂并没有导致带隙能的降低, 而只是在带隙中引入一个孤立的杂质能级, 反而F掺杂以及氧空位的引入带来明显的带隙能降低. DFT+U的计算结果与一些实验测量结果能够较好地符合.  

先兆型铁电体CaTiO3的第一性原理研究

在广义梯度近似(GGA)下利用全电势线性化的缀加平面波法(FPLAPW)计算了钛酸钙(CaTiO3)的电子结构.将实验测得的晶胞体积记为V0,计算中所用的晶胞体积记为V.当V/V0=1.0时, Ti离子位移为零相应于总能量低能态,钛酸钙不会发生铁电相变.但如果其体积膨胀10%,则Ti离子的位移将导致能量极小值.这意味着在立方钛酸钙中有发生铁电相变的趋势,表明在钛酸钙中存在着体积诱发的铁电相变,即钛酸钙为先兆型铁电体.态密度在V/V0=1.1时, Ti d电子和O(2) p电子之间存在强烈的轨道杂化,这种杂化是出现铁电性的必要条件.电场梯度的结果也表明了这一点.  

利用表面修饰调制GaAs纳米线的电子结构

采用第一性原理的密度泛函方法，研究了利用表面修饰来调制GaAs纳米线的电子结构. 在计算中考虑了几种不同的表面钝化材料（H、F、Cl、Br 和I）对GaAs纳米线电子结构的影响. 计算结果表明，不同的原子修饰GaAs 纳米线时对其能带结构的调制主要取决于它们对纳米线表面态的饱和能力. 表面修饰不仅可以调节GaAs纳米线的能隙大小，而且也可以调制其能隙类型. GaAs纳米线的电子结构由表面效应和量子限制效应共同来决定. 使用不同材料修饰表面的GaAs纳米线的能隙随直径的变化幅度并不相同. 表面修饰为实现同种直径和同种结构的GaAs纳米线的能带工程提供了一种新的途径.  

表面悬挂键对GaAs纳米线掺杂的影响及其钝化

利用第一性原理计算方法研究了表面悬挂键对GaAs纳米线掺杂的影响及其钝化．计算结果显示，不论是闪锌矿结构还是纤锌矿结构，GaAs纳米线表面Ga原子上带正电荷的表面悬挂键都是一类稳定的缺陷，并且这种稳定性不会随着纳米线直径的变化而变化．这种表面悬挂键会形成载流子陷阱中心从而从p型掺杂的GaAs纳米线俘获空穴，使得纳米线的掺杂效率下降．和NH3相比，NO2 具有足够的电负性来俘获GaAs纳米线表面悬挂键上的未配对电子，从而有效地钝化GaAs纳米线的表面悬挂键，提高纳米线的p型掺杂效率，并且这种钝化特性不会随着纳米线直径的变化而改变．  

新型光催化材料石墨炔-TiO2的第一性原理研究

采用基于色散矫正密度泛函理论的第一性原理方法,研究石墨炔和石墨烯对TiO2光催化性能提高的机理.通过研究发现在石墨炔-TiO2(101)复合物中,石墨炔和TiO2(101)间相互作用较强,TiO2(101)表面上的O原子和其top位的C原子形成离域性强的C—O共价键.电子密度,电子差分密度和Mulliken电荷的计算结果显示,石墨炔复合TiO2(101)晶面更有利于电子在界面间的转移,并减低电子-空穴的复合率.通过对电子结构的分析发现,在石墨炔-TiO2(101)复合物的带隙中引入了多条杂质能级,而石墨烯-TiO2(101)复合物的带隙中没有杂质能级的出现.杂质能级能够为光激发时电子的跃迁提供辅助平台作用,有利于光催化性能的提高.同时石墨炔-TiO2(101)复合物的价带位置比石墨烯-TiO2(101)复合物更低,说明其氧化能力更强,有利于其光催化性能的提高.  

AxMn1-xFe2O4铁氧体(A=Zn,Ni)中阳离子的占位有序化行为研究

基于尖晶石晶体结构信息,本文采用热力学三亚晶格模型,将材料热力学计算和第一性原理计算相结合,研究了Zn_xMn_1-x Fe₂O₄和Ni_xMn_1-xFe₂O₄立方相中的Zn²⁺、Ni²⁺、Mn²⁺以及Fe³⁺在8a和16d亚晶格上的占位有序化行为。结果表明:在锰铁氧体中,室温下Mn²⁺完全占据在8a亚晶格上,Fe³⁺完全占据在16d亚晶格上,属于正尖晶石结构;随着热处理温度升高,在1 273 K达到热处理平衡时的占位构型为(Fe_0.09³⁺Mn_0.91²⁺)[Fe_1.91³⁺Mn_0.09²⁺]O₄,在热处理温度升至1 473 K时,达到热处理平衡时的占位构型为(Fe_0.11³⁺ Mn_0.89²⁺)[Fe_1.89³⁺Mn_0.11²⁺]O₄,均与实验结果符合较好。在锌铁氧体中,室温下Zn²⁺完全占据在8a亚晶格上,Fe³⁺完全占据在16d亚晶格上,属于正尖晶石结构;在热处理温度较高时,Zn²⁺和Fe³⁺发生部分置换,符合实验结果。在镍铁氧体中,半数的Fe³⁺在室温下占据在8a亚晶格上,Ni²⁺与剩下另一半的Fe³⁺共同占据在16d亚晶格上,仅在热处理温度较高的时候发生微弱变化,亦与已有的实验结果吻合。在此基础上,本文进一步通过热力学预测建立了立方相尖晶石结构的Zn_xMn_1-xFe₂O₄、Ni_xMn_1-xFe₂O₄复合体系中阳离子占位行为与热处理温度对占位的影响。  

单相多铁性体CaMn7O12的理论研究与固相合成

在理论研究方面,采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法对CaMn₇O₁₂的晶体结构进行了计算和表征,对螺旋桨型磁序的电子结构及相变机制进行了理论分析和研究;在实验方面以TG-DSC为指导,采用固相反应法制备了单相多铁性体CaMn₇O₁₂,并检测表征其磁、电学性能。磁学方面验证了CaMn₇O₁₂的2个磁相转变温度(T_N1=90 K和T_N2=45 K),测得其在10 K温度下存在磁滞回线(M_r=0.02 emu·g^-1,H_c≈1000 Oe);电学方面在室温条件下表征其在10 MHz频率时ε_r=280,tanδ=1.69。