He原子掺杂铝材料的第一性原理研究

采用基于第一性原理的平面波超软赝势方法,结合广义梯度近似(GGA),计算了铝及铝晶胞间隙位置掺入He原子后体系的几何结构、电子结构、总体能量和电荷布居值.计算结果表明:随着氦在金属铝中逐渐形成,铝晶胞体系会发生晶格畸变,但总的趋势是He在铝体系的八面体位置的晶格畸变小于其在四面体位置的晶格畸变.He在铝晶胞八面体和四面体间隙的杂质形成能分别为1.3367 eV和2.4411 eV.由此可知,He在铝晶胞中最稳定位置是八面体间隙位置.同时,文中还从原子尺度层面分析了He原子在铝晶胞中的占位及其键合性质,讨论 关键词： 铝材料 第一性原理 形成能     

第一原理研究Mn掺杂LiNbO3晶体的磁性和光吸收性质

采用基于密度泛函理论和局域密度近似的第一性原理分析了Mn掺杂LiNbO₃晶体的结构, 磁性, 电子特性和光吸收特性. 文中计算了Mn占据Li位和Nb位体系的形成焓, 对应的形成焓分别为-8.340 eV/atom和-8.0062 eV/atom, 也就意味着Mn 原子优先占据Li位. 这也就意味着Mn原子占据Li位的掺杂LiNbO₃晶体结构更稳定. 磁性分析的结果显示, 其对应磁矩也比占据Nb位的高. 进一步分析磁性的来源, 自旋态密度结果显示: Mn掺杂LiNbO₃晶体的磁性主要源于掺杂原子Mn, Mn原子携带的磁矩高达 4.3 μ_B, 显示出高自旋结构. 由于Mn-3d与近邻O-2p及次近邻Nb-4d 轨道的杂化作用, 计算表明: 诱导近邻O原子及次近邻Nb原子产生的磁矩对总磁矩的贡献较小. 通过光学吸收谱的分析, 得出在可见光区Li位被Mn原子替代以后显示出更好的光吸收响应相比于Nb位. 本文还分析了O空位对于LiNbO₃晶体磁性与电子性质的影响, 结果显示O空位的存在可以增加Mn掺杂LiNbO₃体系的磁性.     

A15 型 Nb3Al 晶格相变与热力学性质的第一性原理计算

A15 型 Nb3 Al 金属间化合物与 Nb3Sn 类似, 但其具有更好的应力应变容许特性和高场临界电流密度(J c ) . 由于 Nb3 Al 晶格原子排列的有序度较差, 其超导性能对晶格完整性不敏感, 且 Al 含量对 Nb3 Al 成相及 Tc有较大的影响. 因此对相结构的研究对 Nb3 Al 超导性及热学性质的影响具有理论和实际意义. 本文采取第一性原理以及热力学理论计算方法, 对 Nb3 Al 的结构进行晶格相结构转变、 原子位移以及热力学性质等系统计算研究. 结果发现晶格相结构转变的势垒高于原子的位移势垒, 且晶格相结构的转变温度高于 Nb3 Al 的熔化温度. 与 Nb 原子扩散位移相比,Al 原子具有更低的位移势垒, 且 Al 原子的“位移温度”低于熔化温度, 为1070 K. 对于 Nb 原子位移势垒, 通过统计方法得到 Nb 原子的“位移温度”为2333 K, 与实验中得到的 Nb3 Al 熔化温度2306 K 吻合较好,此计算结果表明高温下 Nb3 Al 的制备主要体现为 Al 原子的位移, 而 Nb 原子对该化合物的相结构稳定性具有更重要作用. 计算结论为更好地理解 Nb3 Al 制备过程中微观结构演化及扩散反应提供一定的理论依据.     

Zn离子注入LiNbO_3晶体的制备及其红外谱特性研究

利用离子注入技术制备了不同Zn离子剂量掺杂的铌酸锂样品,研究了Zn离子注入对Li Nb O3晶体红外光谱特性的影响。实验结果显示Zn离子已成功地注入到Li Nb O3晶体中,以Zn原子纳米颗粒形式存在,且注入深度约为80 nm。与纯Li Nb O3晶体在3486、2851和2917 cm-1处的主次吸收峰的位置相比,三种掺杂Zn离子剂量的样品主吸收峰的位置均出现在3483 cm-1处,发生了微小的红移,次吸收峰的位置基本保持不变。Zn离子注入使x-切向Li Nb O3晶体的透射率增大,z-切向Li Nb O3晶体的透射率降低。     

ZnO:Fe~(3+)体系局域晶格结构的研究

本文采用对角化三角场中d5组态离子的完全能量矩阵的方法,研究了Fe3+离子在Zn O:Fe3+体系的局域结构与EPR参量的关系,结果表明:在Zn O:Fe3+体系中,Fe3+取代了Zn2+离子后整个晶体显示出压缩畸变,其畸变参量ΔR=-0.119和Δθ=0.339°被确定.     

第一性原理计算研究金属Nb和间隙氢原子的相互作用

应用第一性原理计算方法, 研究了H在金属Nb体心立方晶格中的间隙占位情况, 并讨论了占位能和间隙大小的关系. 分析了H在间隙位和Nb金属晶格的相互作用, 并讨论了相互作用对电子结构的影响. 结果表明: 除了间隙大小直接影响溶解能的大小之外, H的1s电子和Nb的3d电子有比较强的成键作用, 也是导致H在Nb晶格中溶解能较低的一个重要原因. 估算了500 ℃ 下H在Nb晶格中的扩散系数大约为7.8× 10^-9 m²/s, 和实验结果基本符合.     

Nb二维原子薄片中的Jahn-Teller效应

使用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法，研究了Nb二维单层原子薄片的结构稳定性和电子结构性质.对其所有的二维晶格结构的计算表明，由于Jahn-Teller效应，对称性较高的正方和六角晶格都是不稳定的二维结构.而稳定的二维结构是由对称性较高的六角晶格畸变后形成的对称性较差的斜方和中心长方结构.Nb单层原子薄片不能形成长方晶格结构.通过计算电子结构和Jahn-Teller效应，进一步讨论了这些结构的相对稳定性以及各二维晶格结构的电子能带和态密度等性质. 关键词： Nb原子薄片 Jahn-Teller效应 电子结构 从头计算     

C,N, O原子在金属V中扩散行为的第一性原理计算

基于密度泛函理论, 采用第一性原理计算方法研究了C, N, O原子在金属V中的扩散行为. 首先, 讨论了C, N, O原子在V体心立方晶格中的间隙占位情况, 分析了其在间隙位置与V晶格的相互作用, 并探究了这种相互作用对金属V电子结构的影响. 研究结果表明: C, N, O原子在V的八面体间隙位置更为稳定, 并且C, N, O原子的2p电子与V的3d电子之间有比较强的成键作用; C, N, O原子的扩散势垒分别为0.89, 1.26, 0.98 eV, 并得出了其扩散系数表达式; 最后, 通过阿仑尼乌斯关系图对比了三者在V中扩散系数的大小, 并计算出体系温度在500–1100 K之间时其在V中的扩散系数, 计算结果与实验值基本符合.     

金属Fe与间隙H原子相互作用的密度泛函研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 研究了不同摩尔比下H在α-Fe和γ-Fe晶格中的间隙占位情况, 计算了稳态晶体的总能量、结合能、溶解热、电子态密度、电荷差分密度和电荷布居, 分析了间隙H原子和Fe晶格之间的相互作用, 讨论了H溶解对α-Fe和γ -Fe晶体电子结构的影响. 结果表明: H溶解引起α-Fe和γ-Fe晶体点阵晶格畸变, 体积膨胀率随着溶氢量的增加而增加. 从能量角度分析发现, H优先占据α-Fe的四面体间隙位, 而在γ -Fe中优先 占据八面体间隙位. 态密度、电荷差分密度以及电荷布居分析发现, 间隙H原子与Fe晶格的相互作用仅由H的1s轨道电子和Fe的4s轨道电子所贡献, 二者作用力相对较弱, 这是造成H在Fe晶格中固溶度较低的主要原因之一. 关键词： 金属Fe 间隙H原子 第一性原理 溶解热     

磁性和非磁性元素掺杂的自旋梯状化合物Sr_(14)(Cu_(0.97)M_(0.03))_(24)O_(41)(M=Zn,Ni,Co)的结构和电输运性质

利用固相反应法制备了Sr14Cu24O41及其系列B位掺杂Sr14(Cu0.97M0.03)24O41(M=Zn,Ni,Co)的样品.X射线衍射分析显示,所有样品均为纯相,晶格常数a与c没有明显的变化;Zn掺杂样品晶格常数b没有明显变化,而Ni,Co掺杂样品晶格常数b分别稍有增加.选区电子衍射研究揭示:磁性元素Ni,Co及非磁性元素Zn掺杂,可能主要替代了Sr14Cu24O41结构中自旋链上的Cu原子,从而影响了自旋链上的dimer排列,破坏电荷有序超结构.电输运测量显示:Zn2+,Ni2+,Co3+离子掺杂样品的电阻率降低,但仍体现半导体行为,所有的掺杂样品都存在一个渡越温度Tρ,当TTρ时,其导电机理是以单空穴热激发导电占主要地位,在TTρ时,配对的局域化空穴的一维变程跳跃导电占主要优势;在相同的掺杂量下,非磁性元素Zn掺杂对电阻率值的影响大于磁性元素Ni,Co掺杂的影响,而磁性元素Ni,Co掺杂对渡越温度Tρ的影响大于非磁性元素Zn掺杂的影响.     

Structural properties of the donor indium in nanocrystalline ZnO

The structural properties of the nanocrystalline semiconductor ZnO (nano-ZnO) doped with the donor Indium were investigated by perturbed γγ angular correlation spectroscopy (PAC) and extended X-ray absorption fine structure measurements (EXAFS). Up to an average concentration of one In atom per nanocrystallite, PAC measurements show that about 12% of the ¹¹¹In atoms are incorporated on substitutional Zn sites. At higher In concentrations, new In defect complexes are visible in the PAC spectra, which dominate the spectra if the average In concentration exceeds one In atoms per nanocrystallite. In addition, the local environment of Zn and In atoms in In doped nano-ZnO was investigated by EXAFS. The measurements at the K edge of Zn show that the crystal structure of nano-ZnO corresponds to bulk ZnO. In heavily In doped nano-ZnO the EXAFS experiments at the K edge of In exhibit an expansion of the first O shell about the In site. Since about four O atoms are detected in this first shell a substitutional incorporation of the In atoms in the ZnO lattice is suggested. The second shell to be occupied by Zn atoms as well as higher shells are almost invisible, which might have the same microscopic origin as the occurrence of defect complexes observed by PAC.     

高压下Zn2GeO4带隙变化的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了Zn₂GeO₄晶体在高压下的电子结构和带隙变化行为. 研究结果发现, 随着压强的增加, Zn₂GeO₄ 能带间隙先变大, 在压强为9.7 GPa时达到最大值, 然后减小. 通过电子态密度、电荷布居数和电子差分密度分布图的研究分析可知:在低压区域(0< P< 9.7 GPa), 带隙的变大主要是由于原子间距离的减小造成的共价性增强和Ge原子随压强的变大局域性增强引起的; 在高压区域(P>9.7 GPa), 则是出现了离域现象, 诱发了离域电子的产生, 从而使带隙减小.     

H掺杂α-Fe2O3的第一性原理研究

α-Fe₂O₃是一种重要的磁性半导体材料, 在电子器件中应用广泛, 具有重要的研究意义. 本文基于密度泛函理论, 采用GGA+U方法, 应用第一性原理对间隙H掺杂前后的六方相α-Fe₂O₃的晶格常数、态密度、Bader 电荷分布进行了计算分析. 研究了U值对结果的影响, 发现U=6 eV时, 体相α-Fe₂O₃的晶胞平衡体积、Fe原子磁矩、带隙值与实验值最符合. 在选取合适U值后, 第一性原理计算结果表明, H掺杂后, 间隙H部分被氧化, 其最近邻的Fe 和O部分被还原, H和O有一定程度的成键. 在费米面附近, 出现了新的杂化能级, 杂化能级扩展了价带顶的宽度, 同时导带底下移, 引起带隙减小, 表明H掺杂是一种有效的能带结构调控方法.     

杂质对Nb2GeC性质影响的第一性原理研究

为进一步研究Nb₂GeC在辐照环境中的稳定性, 本文研究了O, H和He杂质在Nb₂GeC中的稳定情况. 所有杂质的研究都是从替代和间隙两个方面来进行的, 计算得到了替代和间隙的形成能, 存在替代和间隙时Nb₂GeC的晶格常数, 以及单胞体积, 并且与完美的晶胞进行了比较. 此外, 通过电荷密度分布和Mulliken 布居, 分析了O, H, He杂质对Nb₂GeC 的电子性质的影响.     

扭转形变对石墨烯吸附O原子电学和光学性质影响的电子理论研究

基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了扭转形变对石墨烯吸附O体系结构稳定性、电子结构和光学性质,包括吸附能、带隙、吸收系数及反射率的影响.研究发现,吸附O原子后,距O原子最近的C原子被拔起,导致石墨烯平面发生扭曲.吸附能计算表明,扭转形变使石墨烯吸附O原子体系结构稳定性下降,而扭转程度对结构稳定性影响微弱.能带结构分析发现,O原子的吸附使石墨烯由金属变成半导体,扭转形变发生时,可实现其从半导体到金属、再到半导体特性的转变.扭转角为12°的吸附O原子体系为间接带隙,而其他出现带隙的体系均为直接带隙.与本征石墨烯受扭体系相比,吸附O原子体系的电子结构对扭转形变的敏感度降低,其中扭转角在10°—16°范围内变化时,带隙始终稳定在0.11 eV附近,即在此扭转角范围内始终对应窄带隙半导体.在光学性能中,受扭转形变的吸附体系吸收系数和反射率峰值较未受扭转形变石墨烯吸附O原子体系均减弱,且随着扭转程度的加剧,均出现红移到蓝移的转变.     

三氧化钨表面氢吸附机理的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,在广义梯度近似下,研究了立方WO_3,WO_3(001)表面结构及其氢吸附机理.计算结果表明立方晶体WO_3理论带隙宽度为0.587 eV.WO_3(001)表面有WO终止(001)表面和O终止(001)表面两种结构,表面结构优化后W—O键长和W—O—W键角改变,从而实现表面弛豫;WO终止(001)表面和O终止(001)表面分别呈现n型半导体特征和p型半导体特征.分别计算了H原子吸附在WO终止(001)表面和O终止(001)表面的H—O_(2c)—H,H—O_(2c)…H—O_(2c),H—O_(1c)—H和H—O_(1c)…H—O_(1c)四种吸附构型,其中H—O_(1c)—H吸附构型的吸附能最小,H—O键最短,H失去电子数最多,分别为-3.684 eV,0.0968 nm和0.55e,此吸附构型最稳定.分析其吸附前后的态密度,带隙从吸附前的0.624 eV增加到1.004 eV,价带宽度基本不变.H的1s轨道电子与O的2p,2s轨道电子相互作用,在-8和-20 eV附近各形成了一个较强的孤立电子峰,两个H原子分别与一个O_(1c)原子形成化学键,最终吸附反应生成了一个H_2O分子,同时产生了一个表面氧空位.     

Co,Zn共掺铌酸锂电子结构和吸收光谱的第一性原理研究

利用基于密度泛函的第一性原理的计算方法,研究了Co单掺及Co和Zn共掺LiNbO_3晶体的电子结构和吸收光谱.研究显示,各掺杂体系铌酸锂晶体的带隙均较纯铌酸锂晶体变窄. Co:LiNbO_3晶体禁带宽度为3.32 eV; Co:Zn:LiNbO_3晶体, Zn的浓度低于阈值或达到阈值时,禁带宽度分别为2.87或2.75 eV. Co:LiNbO_3晶体在可见-近红外光波段2.40, 1.58, 1.10 eV处形成吸收峰,这些峰归结于Co 3d分裂轨道的跃迁;加入抗光折变离子Zn~(2+),在1.58, 1.10 eV处的吸收峰增强,可以认为Zn~(2+)与Co~(2+)之间存在电荷转移,使e_g轨道电子减少,但并不影响t_(2g)轨道电子.结果表明,晶体中的Co离子在不同共掺离子下可充当深能级中心(2.40 eV),或可充当浅能级中心(1.58 eV),两种情况下,掺入近阈值的Zn离子均有助于实现优化存储.     

锐钛矿相和金红石相Nb:TiO_2电学性质的GGA(+U)法研究

采用基于密度泛函理论第一性原理GGA和GGA+U相结合的方法研究了不同掺杂浓度下锐钛矿相和金红石相Nb:TiO2的晶体结构、电子结构以及稳定性.结果表明:锐钛矿相Nb:TiO2能带结构与简并半导体类似,呈类金属导电机理.金红石相Nb:TiO2呈半导体导电机理.Nb原子比Ti原子电离产生出更多的电子.锐钛矿相Nb:TiO2中Nb原子的电离率比金红石相Nb:TiO2的大.以上结果说明锐钛矿相Nb:TiO2比金红石相Nb:TiO2更适宜用作TCO材料;掺杂浓度对其杂质能级,费米能级和有效质量都有影响.Nb原子掺杂浓度越高,材料电离率呈降低趋势;形成能计算结果显示:在富钛条件下不利于Nb原子的掺杂,而在富氧条件下有利于Nb原子的掺杂.对于金红石相和锐钛矿相Nb:TiO2,不论是在贫氧或富氧条件下,随着Nb原子掺杂浓度的提高,形成能均增大.     

Nb掺杂γ-TiAl金属间化合物的电子结构与力学性能

运用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了Nb掺杂γ-TiAl金属间化合物的结构参数、能带结构、电子态密度及弹性常数.结果表明:Nb替代Ti掺杂相比Nb替代Al掺杂的形成能低,Nb在替位掺杂时更倾向于取代Ti原子形成稳定的结构,Nb替代Ti掺杂能够提高γ-TiAl金属间化合物的抵御塑性变形能力、断裂强度和延展性;与Nb替代Ti掺杂相比,Nb替代Al掺杂同样增强γ-TiAl金属间化合物的断裂强度且其增强延展性的效果更好,但抵御塑性变形的能力有所削弱.