石墨烯和六方氮化硼纳米片的几何结构、电子结构、磁性及边缘特性研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法,计算了多种尺寸的石墨烯和六方氮化硼纳米片的性质,系统研究了其中的量子尺寸效应.研究的最大尺寸纳米片的直径约为5.5 nm,包含816个原子.对纳米片及其边缘的几何结构、电子结构、磁性性质以及电子分布进行了深入探讨,发现石墨烯和六方氮化硼纳米片最外层原子有由锯齿形向圆形变化的趋势,使得纳米片最外层更加平滑.随着纳米片尺寸的增加,能级由分立逐渐变得连续,纳米片由孤立分子态逐渐变得接近无限的晶体;禁带宽度总体有下降的趋势,符合量子尺寸效应.纳米片存在明显的磁性,磁矩主要集中在最外层原子上,且在相对平滑的地方容易出现磁性,相对弯曲的地方不易出现磁性.当增加体系的电子数时,增加的电子主要分布在最外层,使得纳米片整体磁性呈递减的趋势;当减少体系的电子数时,减少的电子的分布逐渐由最外层向内收缩,体系的总磁矩略有增加.研究结果对石墨烯和六方氮化硼纳米片的应用有参考价值.     

半氢化石墨烯与单层氮化硼复合体系的电子结构和磁性的调控

采用密度泛函理论第一性原理的PBE-D_2方法,对半氢化石墨烯与单层氮化硼(H-Gra@BN)复合体系的结构稳定性、电子性质和磁性进行了系统的研究.计算了六种可能的堆叠方式,结果表明:H-Gra@BN体系的AB-B构型是最稳定的,为铁磁性半导体,上、下自旋的带隙分别为3.097和1.798 e V;每个物理学原胞具有约1μB的磁矩,该磁矩主要来源于由未氢化的C_2原子的贡献;在z轴方向压应力的作用下,最稳的H-Gra@BN体系的电子性质由磁性半导体转变为半金属,再转变为非磁性金属;预测了一种能方便地通过应力调控电子性质和磁性质的新型材料,有望应用在纳米器件以及智能建筑材料等领域.     

六角氮化硼片能带结构的应变调控

采用第一性原理研究了应变对单层、双层和三层BN片能带结构的影响.研究表明,随着张应变的增大,BN片的带隙线性变小,且变化的斜率与层数以及多层BN片的堆垛方式无关.     

电场调控双层石墨烯纳米带的电子结构和光学性质

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了外加电场作用下双层AA堆垛的Armchair边缘石墨烯纳米带(BAGNRs)的电子结构和光学性质. BAGNRs具有半导体特性,其带隙随带宽(宽度为4～12个碳原子)的增加而振荡性减小.当施加电场后,BAGNRs的带隙随着电场强度的增加而逐渐减小,带隙越大对电场值的变化越敏感.当电场值为0.5 V/?时,所有BAGNRs的带隙都为零. BAGNRs具有各向异性的光学性质,其介电函数在垂直极化方向为半导体特性,而在平行极化方向为金属特性.在外加电场的作用下,BAGNRs的介电函数、吸收系数、折射系数、反射系数、电子能量损失系数和光电导率,其峰值向低能量区域移动,即产生红移现象.电场增强了能带间的跃迁几率.纳米带宽度对这些光学性质参数具有不同程度的影响.研究结果解释了电场调控BAGNRs光学性质的规律和微观机理.     

电子辐照诱发固态相变导致的氮化硼纳米结构生长

报道了N+离子轰击产生的氮化硼(BN)纳米结构,及在电子辐照时结构演化的高分辨透射电子显微镜的原位测定结果.应当强调的是,这种类富勒烯和发夹结构的演化,实际上是电子辐照诱发固态相变的发展,观察中发现的一些BN颗粒、卷曲物,可以被认为是类富勒烯等纳米结构形成的前体或早期阶段.提出了一种类富勒烯等结构的电子辐照动力学模型,并进行了讨论. 关键词： 氮化硼 电子辐照 透射电子显微镜 氮化硼纳米形成物     

六角氮化硼纳米带的几何和电子结构理论研究

本文采用密度泛函B3LYP方法在6-31G*水平上，对一系列不同宽度的锯齿型和扶手椅型六角氮化硼纳米带进行了理论研究。结果表明纳米带宽度对体系的性质有规律性的影响。随着宽度的增加，纳米带不同位置的硼氮键键长差异逐步减小从而提高了整个体系的共轭性；锯齿型纳米带的能隙单调减小而扶手椅型纳米带的能隙在减小的同时出现振荡，且振幅随宽度逐渐减小。锯齿型氮化硼纳米带的化学势在特定宽度出现了极值点。前线分子轨道的分布随着宽度的增加出现了非均匀分布，呈现出向边界偏移的现象。     

六角氮化硼纳米带的几何和电子结构理论研究

本文采用密度泛函B3LYP方法在6-31G*水平上,对一系列不同宽度的锯齿型和扶手椅型六角氮化硼纳米带进行了理论研究。结果表明纳米带宽度对体系的性质有规律性的影响。随着宽度的增加,纳米带不同位置的硼氮键键长差异逐步减小从而提高了整个体系的共轭性;锯齿型纳米带的能隙单调减小而扶手椅型纳米带的能隙在减小的同时出现振荡,且振幅随宽度逐渐减小。锯齿型氮化硼纳米带的化学势在特定宽度出现了极值点。前线分子轨道的分布随着宽度的增加出现了非均匀分布,呈现出向边界偏移的现象。     

Ti,Cu和Zn掺杂AlN纳米片电磁性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的全势线性缀加平面波法(FP-LAPW)研究了过渡金属Ti,Cu,Zn掺杂Al N纳米片的电子结构、磁性和稳定性.结果表明,Ti,Cu,Zn单掺杂均表现出半金属铁磁性,磁性主要是由于杂质原子的3d态与近邻N原子的2p态的轨道杂化.形成能的计算结果表明Ti掺杂Al N体系相对Cu和Zn掺杂结构更稳定.因此,相比于Cu和Zn,Ti掺杂Al N纳米片更适合用来制作稀磁半导体.     

石墨烯纳米片大自旋特性第一性原理研究

通过基于密度泛函理论的全电子数值轨道第一性原理电子结构计算,研究了各种形状有限石墨烯片段(石墨烯纳米片, GNF)的磁特性,证明GNF的自旋磁有序来源于由其形状决定的π键拓扑挫折(topological frustration)作用.锯齿形边缘的三角形GNF的净自旋不为零,如同一个人造铁磁性原子团,总自旋随尺度线性增加.根据拓扑挫折原理,可以在GNF中引入较大的净自旋和独特的自旋分布,如由三角形GNF单元构成的复杂分形结构,总自旋随分形级数呈指数上升.通过刻蚀技术制作具有一定拓扑结构的GNF可以实现可控自旋电子纳米材料和器件应用.     

Electronic and Magnetic Properties of Double Perovskite Ca2CrSbO6

First-principles calculations have been performed for the study of the electronic band structure and ferromagnetic properties of double perovskite Ca2CrSbO6. The density of states, total energy, spin magnetic moment, and charge density were calculated and analyzed in details. It is found that Ca2CrSbO6 has a stable ferromagnetic ground state and the spin magnetic moment per molecule is about 2.99#B. The chromium contributes the most in the total magnetic moments. The results indicate that Ca2CrSbO6 is half-metallic.     

氧化锌掺钡的电子结构及其铁电性能研究

运用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了不同原子百分比含量的Ba掺杂Zn0半导体体材料超晶胞的能带结构、电子态密度、极化率和相对介电值.计算结果表明:Ba掺杂的Zn0体系为直接带隙半导体材料,其禁带宽度随着Ba原子掺杂百分比的增加呈现出逐渐增大的趋势.体系铁电性能的计算表明:与纯Zn0相比,Zn0掺入Ba原子后的极化率与相对介电值发生了较为明显的变化,其极化率随着Ba原子掺杂百分比的增加而增大,相对介电值随着Ba原子掺杂百分比的增加而减小.对角化后的极化率分量的数值结果表明:在电场作用下超胞中可能存在微畴结构,并且由于畴间电偶极矩的强相互作用,使得超胞宏观上表现为几乎具有各向同性的极化率特征.     

旋转双层石墨烯的电子结构

本文将第一性原理和紧束缚方法结合起来, 研究了层间不同旋转角度对双层石墨烯的电子能带结构和态密度的影响. 分析发现, 旋转双层石墨烯具有线性的电子能量色散关系, 但其费米速度随着旋转角度的减小而降低. 进一步研究其电子能带结构发现, 不同旋转角度的双层石墨烯在M点可能会出现大小不同的的带隙, 而这些能隙会增强双层石墨烯的拉曼模强度, 并由拉曼光谱实验所证实. 通过对比双层石墨烯的晶体结构和电子态密度, 发现M点处带隙来自于晶体结构中的“类AB堆垛区”. 关键词： 旋转双层石墨烯 第一性原理 紧束缚 电子结构     

First-principles investigation of the electronic structure and magnetism of eskolaite

The electronic structure and magnetism of eskolaite are studied by using first-principles calculations where the on-site Coulomb interaction and the exchange interaction are taken into account and the LSDA+U method is used. The calculated energies of magnetic configurations are very well fitted by the Heisenberg Hamiltonian with interactions in five neighbour shells; interaction with two nearest neighbours is found to be dominant. The Néel temperature is calculated in the spin-3/2 pair-cluster approximation. It is found that the measurements are in good agreement with the calculations of lattice parameters, density of states, band gap, local magnetic moment, and the Néel temperature for the values of U and J that are close to those obtained within the constrained occupation method. The band gap is of the Mott--Hubbard type.     

Electronic structure and optical properties of Al and Mg co-doped GaN

The electronic structure and optical properties of Al and Mg co-doped GaN are calculated from first principles using density function theory with the plane-wave ultrasoft pseudopotential method.The results show that the optimal form of p-type GaN is obtained with an appropriate Al:Mg co-doping ratio rather than with only Mg doping.Al doping weakens the interaction between Ga and N,resulting in the Ga 4s states moving to a high energy region and the system band gap widening.The optical properties of the co-doped system are calculated and compared with those of undoped GaN.The dielectric function of the co-doped system is anisotropic in the low energy region.The static refractive index and reflectivity increase,and absorption coefficient decreases.This provides the theoretical foundation for the design and application of Al–Mg co-doped GaN photoelectric materials.     

Electronic structure of Mg–Zn-based compounds

We present a comparison between calculated densities of states of the Laves phase MgZn₂ and hexagonal Mg₂₈Zn₆₅Y₇ and experimental results obtained using both X-ray emission and photoabsorption spectroscopy techniques. We show that there is general agreement between both sets of data for both alloys. We also point out that the two samples retain a metallic character, yet the hexagonal approximant of the Mg–Zn–Y quasicrystal family is less metallic than the Laves phase.     

Cu,O共掺杂AlN晶体电子结构与光学性质研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法对纯Al N,Cu单掺杂以及Cu与O共掺杂Al N超胞进行了几何结构优化,计算了掺杂前后体系的晶格常数、能带结构、态密度与光学性质.结果表明:掺杂后晶格体积增大,系统能量下降;Cu掺入后Cu 3d电子与N 2p电子间有强烈的轨道杂化效应,Cu与O共掺后Cu和O之间的吸引作用克服了Cu原子之间的排斥作用,能够明显提高掺杂浓度和体系的稳定性.光学性质分析中,介电函数计算结果表明Cu与O共掺杂能改善Al N电子在低能区的光学跃迁特性,增强电子在可见光区的光学跃迁;复折射率计算结果显示Cu与O掺入后由于电磁波穿过不同的介质,导致折射率发生变化,体系对低频电磁波吸收增加.     

碳掺杂BaTiO3的电子结构和磁性研究

基于密度泛函理论,从头计算了C间隙和替位氧掺杂立方结构BaTiO3的电子结构和磁学性质．结果表明C掺杂BaTiO3在自旋极化状态下的总能量比自旋非极化状态下的总能量小,说明C掺杂BaTiO3的基态具有铁磁性．从态密度和自旋电子密度分布可知,C位于BaTiO3间隙的磁性机理和过渡金属掺杂半导体产生磁性的机理类似：C替位掺杂BaTiO3体系磁性源于未配对的C2p电子．     

镧铱硅电子结构与成键机理的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,系统研究了镧铱硅（La-Ir-Si）体系四种异构体的电子结构与成键机理．通过对能带结构、态密度的系统分析,发现：La-Ir-Si体系的超导属性与该体系中过渡元素Ir-d态和Si-p态的p-d轨道耦合强度有关．为了定量描述p-d轨道耦合的强度,采用了分子中的原子方法,针对La-Ir-Si体系成键过程中的电荷迁移进行了定量的分析,结果表明,超导的转变温度与体系中Ir原子basin中的电荷量成近线性关系． 关键词： La-Ir-Si 电子结构 超导属性 第一原理     

First-principles modeling hydrogenation of bilayered boron nitride

We have investigated the structural and electronic characteristics of hydrogenated boron-nitride bilayer(H–BNBN–H) using first-principles calculations. The results show that hydrogenation can significantly reduce the energy gap of the BN–BN into the visible-light region. Interestingly, the electric field induced by the interface dipoles helps to promote the formation of well-separated electron–hole pairs, as demonstrated by the charge distribution of the VBM and CBM.Moreover, the applied bias voltage on the vertical direction of the bilayer could modulate the band gap, resulting in transition from semiconductor to metal. We conclude that H–BNBN–H could improve the solar energy conversion efficiency, which may provide a new way for tuning the electronic devices to meet different environments and demands.