化学掺杂Armchair石墨纳米带的第一性原理研究

本文利用第一性原理研究了化学掺杂(N和B)对Armchair石墨纳米带(AGNR)电子性质的影响.结果发现:N和B原子有不同的最佳掺杂位置,掺杂使AGNR分别成为n型或P型半导体.纳米带宽度不同时,掺杂对AGNR电子结构如能级、能隙、轨道分布等有不同影响.     

Mn掺杂BaTiO3多铁性的第一性原理研究

本文基于第一性原理方法,对过渡金属元素Mn掺杂四方相BaTiO3体系进行了系统的研究.通过对掺杂前后的电子结构改变及所引起的磁学性能的分析发现,过渡金属元素Mn的掺入可以使BaTiO3产生较大的铁磁性,这一磁性主要源于Mn离子局域磁矩的贡献,且随着Mn掺杂量的增加,材料体系的磁性增强;同时发现掺杂体系在001方向存在畸变,仍然保持BaTiO3原有的自发极化,即掺杂后体系仍具备铁电性.研究结果表明,进一步优化的Mn掺杂BaTiO3有望成为一种性能优越的新型多铁性材料.     

B掺杂BaTiO3的电子结构和磁性的第一性原理研究

利用基于第一性原理的自旋极化密度泛函理论计算了B掺杂BaTiO3的稳定性、电子结构和磁学性质.结果表明B掺杂BaTiO3体系稳定,并表现为铁磁性.B替位掺杂BaTiO3体系的磁性机制可归结为部分B2p电子的自旋极化和B2p/O2p与Ti3d电子的p-d耦合作用,B间隙掺杂BaTiO3体系中磁性源于未配对Ti3d电子的自旋极化.     

不同浓度Nb掺杂ZnO第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了不同浓度Nb掺杂ZnO的能带结构及性能,并对本征ZnO、Al掺杂ZnO(AZO)和Nb掺杂ZnO(NZO)的模拟结果进行对比分析。结果表明:(1)NZO和AZO的带隙值均低于本征ZnO的带隙值,掺杂浓度(原子数分数)同为6.25%的NZO的带隙值低于AZO的带隙值。随着Nb掺杂浓度增高,NZO的导带底明显降低,态密度峰值降低,且Nb-4d态电子占据了费米能级的主要量子态。(2)随着掺杂浓度的增加,NZO和AZO吸收峰和介电函数峰均降低,且向低能区移动,其中,NZO吸收峰向低能区移动更明显,且介电函数虚部分别在0.42 eV和34.29 eV出现新的峰,主要是价带中Nb-4d和Nb-5p电子能级跃迁所致。掺杂浓度同为6.25%的NZO的静介电常数大于AZO的静介电常数,表明NZO极化能力更强,NZO可以更有效改善ZnO的光电性能。随着Nb掺杂浓度增加,NZO的吸收系数和介电函数虚部强度增加且向高能区移动。NZO的模拟结果为高价态元素Nb掺杂ZnO的实验研究工作及实际应用提供了理论参考。     

ZnO:Sb掺杂机理的第一性原理研究

为了研究ZnO:Sb的掺杂机理,本文运用第一性原理密度泛函理论计算了理想纤锌矿ZnO和SbO 、SbZn 、SbZn-2VZn三种Sb掺杂ZnO晶体模型的几何结构、能带结构和电子态密度.计算结果表明:sb的掺人使得晶格发生不同程度的膨胀,其中以SbZn-2VZn复合缺陷模型的膨胀最小,键长最短,说明此结构的化学稳定性最高.通过能带和态密度的分析可知,ShO和SbZn模型存在不合理性,而SbZn-2VZn复合缺陷中的VZn可以使价带产生非局域化空穴载流子.定量计算进一步确认了SbZn-2VZn构型的可填充电子数最多,合理解释了晶体导电性的提高.形成能计算表明,在富氧条件下SbZn-2VZn的形成能最低,说明在富氧条件下掺杂Sb更有利于实现ZnO的p型化.     

Al-N共掺杂ZnO的第一性原理研究

为了研究p型ZnO的掺杂改性,本文运用第一性原理密度泛函理论研究了未掺杂,Al、N单掺杂和Al-N共掺杂ZnO晶体的几何结构、能带结构、电子态密度.计算结果表明:未掺杂,Al、N单掺杂和Al-N共掺杂ZnO的超晶胞体积分别为0.2043 nm3、0.2034 nm3、0.2027 nm3、0.1990 nm3,带隙分别为0.72 eV、0.71 eV、0.60 eV、0.55 eV;N是比较理想的p型掺杂受主,若在禁带中再引入激活施主Al后,可填充的电子数由原来的19个增加到24个,N原子接受从价带跃迁的电子使价带产生非局域化空穴载流子,从而提高了晶体的导电性.与未掺杂,Al、N单掺杂相比,Al-N共掺杂ZnO具有更稳定的结构,更窄的带隙,更好的导电性,更有利于实现p型化.     

Pt掺杂CdS光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法分析了CdS和Pt掺杂CdS的几何、电子结构和光学性质,计算结果表明Pt掺杂的CdS结构引入了由Pt贡献的导电载流子,增强了CdS的电导率,另外,费米能级下移进入价带.研究表明,Pt掺杂的CdS结构在费米能级附近出现了杂质能级,这是由Pt的5d态电子所形成;在光学性质上,Pt掺杂的CdS在可见光区的吸收系数比理想CdS高,能量损失峰出现红移现象,可见,Pt掺杂的CdS晶体具有更高的光催化活性.     

阴离子掺杂稳定c-ZrO2的第一性原理研究

利用密度泛函(DFT)中的PW91PW91方法计算了碳和氮阴离子掺杂稳定c-ZrO2的机制.热力学计算表明碳元素和氮元素取代氧化锆晶格氧反应的吉布斯自由能均小于零,这表明两种取代反应都是可以进行的.结合阴离子掺杂稳定作用能计算和结晶学理论分析认为氮元素主要以替代晶格氧引入空位的方式稳定四方或立方氧化锆,而碳元素则是首先扩散进入氧化锆的八面体空隙,随八面体体积收缩和热处理温度的升高,转变为替代晶格氧引入空位的方式稳定四方或立方氧化锆.同时,分析认为不同氮源和初始氧化锆相成份也影响着立方或四方氧化锆的稳定作用.     

N掺杂LaAlO3电子结构的第一性原理研究

采用第一性原理计算N掺杂LaAlO3的稳定性、电子结构和磁学性质.计算结果表明:N掺杂LaAlO3的结构稳定;而且从生成焓数值看,替位掺杂比间隙掺杂结构更稳定.形成能计算结果表明,还原环境比氧化环境更适合N掺杂,并且在还原环境下,NH3作为N源生成替位掺杂的LaAlO3-x Nx的形成能最小,即最容易形成替位掺杂.N替代LaAlO3中的O原子和位于LaAlO3晶胞间隙均产生铁磁性,其磁性均源于掺杂N-2p电子与体系价带顶O-2p电子间的p-p耦合作用.     

Mn掺杂LiNbO3结构ZnTiO3的磁性和光电性质的第一性原理研究

采用密度泛函理论计算了Mn掺杂LiNbO₃结构的ZnTiO₃(LN-ZnTiO₃)的磁性和光电性质。计算结果表明Mn掺杂LN-ZnTiO₃倾向占据Zn位,形成稳定的3d⁵电子构型。Mn替代Zn位掺杂可以为LN-ZnTiO₃提供较大的局域磁矩,约为5 μB。同时在价带顶附近形成明显的Mn-3d和O-2p轨道的受主能级,降低了材料的带隙,促进可见光的吸收。在LN-ZnTiO₃中掺杂Mn可以同时实现较大的局域磁矩和p型半导体的特性,拓展了材料在磁学和可见光吸收领域的应用。     

地聚合物胶凝材料缩聚反应的第一性原理研究

采用基于第一性原理密度泛函理论的计算方法,以地聚合物胶凝材料在碱性条件下水解产生的[Al(OH)4]-和[SiO(OH)3]-两种离子团为基本基团,通过Materials Studio软件中的DMol3模块计算模拟了地聚合物胶凝材料的缩聚反应.研究并预测了多个[Al(OH)4]-和[SiO(OH)3]-缩聚反应形成多聚体的可能途径,并对所建立的结构模型进行几何优化和能量计算,从而阐释了地聚合物胶凝材料的缩聚反应机理,进一步验证了地聚合物胶凝材料的缩聚反应产物结构以三维空间网状结构为主.     

二维BN材料中n型掺杂探索:基于第一性原理的带电缺陷计算

半导体材料的有效掺杂可为半导体器件的成功应用提供保障。理论上,通过计算缺陷形成能和电荷转移能级可以预测掺杂的难易性以及缺陷能级的深浅性。基于密度泛函理论,结合二维带电缺陷计算方法,系统计算二维BN材料中四种(C_B,Si_B,Ge_B,Sn_B)潜在n型掺杂体系的缺陷性质。结果表明,C_B(Sn_B)体系最稳定价态为+1价(-1价)和0价,而Si_B,Ge_B体系最稳定价态为+1价,0价和-1价,C_B,Si_B与Ge_B体系相应的施主离子化能为2.00 eV,3.57 eV和4.06 eV,均表现为深能级施主,很难为BN提供n型载流子。另外,C_B体系在宿主BN为p型掺杂时+1价态具有负形成能,将会严重降低BN p型掺杂效率及空穴导电率。该研究结果可为实验上对二维BN进行掺杂尝试提供理论依据。     

掺P石墨烯结构和电子性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论第一性原理,在广义梯度近似下,本文研究本征石墨烯和掺杂不同浓度P的石墨烯结构和电子性质并发现本征石墨烯禁带宽度为零;对于P∶C掺杂比分别为1∶17、1∶7、1∶1的石墨烯,其P-C键长由0.142nm的C-C键分别增大为0.1629 nm、0.1625 nm、0.1751 nm,其对应带隙分别由零带隙变为0.28 eV、0.44 eV、1.21eV:费米能级逐渐下降.分析分波态密度后发现,在掺P石墨烯中主要为P原子的3p态电子影响其总态密度.     

Cu替位与空位及Cu、S共掺SnO2的光磁性质研究

运用第一性原理,基于密度泛函理论,计算了Cu分别以替位和空位两种方式掺杂SnO2的电子结构和光电特性,并对两种掺杂方式做了一定的比较研究;磁性方面,主要研究了Cu、S共掺SnO2后的磁学性能.计算表明,两种方式掺杂,都使SnO2具有半金属特性,Cu原子将与周围的O原子发生强烈的交换作用,Cu原子对态密度的贡献主要在费米能级附近.相比之下,空位掺杂后的晶胞体积略大于替位掺杂后的SnO2,对光的能量损耗也比替位掺杂的低.对于Cu、S共掺的体系,计算表明:每个Cu原子的掺入将产生0.46μB的磁矩,而一个S原子将引入0.36μB的磁矩,Cu原子周围的O原子也对磁矩有一定的贡献.经过分析,发现体系的磁性来源主要是Cu-3d和S-3p,以及Cu-3 d与O-2 p间的强烈耦合作用.     

MOCVD法制备一维定向ZnO晶须阵列及掺杂研究

采用大气开放式MOCVD技术,以Zn(C5H7O2)2为前驱物,在玻璃和单晶硅基片上生长了沿c轴高度定向、规则排布的氧化锌晶须阵列.在此基础上,采用多气路输送不同金属有机源的方法,进行了ZnO晶须的掺杂,制备了掺铝元素的一维定向晶须阵列.XRD结果表明未掺杂ZnO晶须为六方纤锌矿结构,沿c轴高度取向;掺铝ZnO晶须晶体结构仍为六方纤锌矿结构,沿c轴择优取向.SEM结果显示,未掺杂的ZnO晶须阵列排布规则,长径比达到20;掺杂ZnO晶须随着铝掺杂浓度的增加,晶须的形貌及排布规则性变差.     

Fe2CrP电子结构及半金属性的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了Fe2CrP合金的电子结构、半金属性和磁性.结果表明Fe2CrP合金是一种半金属铁磁体,其半金属隙为0.22 eV.当晶格常数发生变化时,Fe2 CrP合金依然能在0.535 ～0.580 nm的范围内保持半金属性.计算得到Fe2CrP合金的分子总磁矩为3.00uB,与Slater-Pauling规则非常符合,Cr原子和Fe原子是分子总磁矩的主要贡献者.     

双局域共振Helmholtz声子晶体带隙研究

设计了一种双局域共振原理的Helmholtz型声子晶体结构,该结构采用U字型嵌套设计,分为内外两个腔,摆脱了内腔空气对带隙上限的影响,使得低频带隙上限得以大大提高.在分析低频带隙形成机理和影响因素时,将弹性杆-弹簧模型引入理论计算,使得简化模型计算精度得以提高.研究表明:该结构具有良好的低频带隙特性,其最低带隙范围为86.9～445.9 Hz.结构低频带隙主要受晶格常数、壁厚、细管宽度和长度的影响.在保持其它参数不变的情况下,带隙上限随晶格常数、壁厚和细管长度的增加而降低,随细管宽度的增加而增加;带隙下限随晶格常数、细管长度的增加而降低,随细管宽度、壁厚的增大而增大.该研究为低频噪声控制提供了一定的理论支持,拓宽了声子晶体的设计思路.     

掺杂方式对纳米二氧化钛性能的影响研究

对近年来掺杂改性纳米二氧化钛的研究进行了综述,并且详细论述了金属离子掺杂、非金属离子掺杂以及双元素掺杂这三类掺杂方式对纳米二氧化钛的结构相变,光催化性能等方面的影响。     

固-流结构声子晶体中弹性波能带的色散研究

推导出弹性波斜入射固-流结构声子晶体的转移矩阵和色散公式.利用色散公式研究了弹性波在固-流结构声子晶体中的能带特性.结果表明,介质厚度固定时,弹性波中会出现多级禁带,禁带的频率中心随入射角的增加而向高频方向移动,入射角增加到一定值后会分裂出新的禁带,分裂出的禁带频率宽度随级数的增加而增大.入射角固定时,禁带的频率宽度随介质厚度近似成反比变化,分裂出的禁带频率宽度随介质厚度的增加而减小.     

基于第一性原理的BaTiO3陶瓷临界尺寸的研究

采用WIEN2K软件,基于第一性原理对具有不同晶格常数的BaTiO3晶胞结构的特性进行了模拟分析.计算了不同晶胞结构中的电荷密度分布,分析了体积与能量的关系对晶胞结构稳定性的影响.结合试验结果探讨了尺寸效应对瓷体铁电性的影响,找到了晶胞能量最低的状态以及电子轨道杂化最显著的晶胞尺寸.从而确定了晶胞铁电性存在的晶粒的临界尺寸为10～ 15 nm.