过渡金属元素Sc、Cr和Mn对Mg2Ge掺杂的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算,研究了过渡金属元素Sc、Cr和Mn掺杂对Mg₂Ge晶体光、电、磁性质的影响。结果表明,Sc掺杂能使Mg₂Ge的费米能级进入导带,呈n型简并半导体;Cr和Mn掺杂能使Mg₂Ge能带结构和态密度在费米能级附近产生自旋劈裂而形成净磁矩,表现为半金属磁体和稀磁半导体,体系净磁矩均来自杂质原子3d轨道电子及其诱导极化的Ge4p态和Mg2p态自旋电子。与本征Mg₂Ge相比,掺杂体系静态介电常数增大,扩展了吸收光谱,提升了近红外光波段吸收能力。     

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.     

In2O3电子结构与光学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法, 计算了In2O3电子结构和光学线性响应函数, 系统研究了In2O3电子结构与光学性质的内在关系. 利用计算的能带结构和态密度分析了带间跃迁占主导地位的In2O3材料的能量损失函数、介电函数、反射图谱, 根据电荷密度差分图分析了In2O3材料的化学和电学特性. 研究结果表明In2O3光学透过率在可见光范围内高达85%, 可作为优异的透明导电薄膜材料. 同时, 计算结果为我们制备基于In2O3透明导电材料的设计与大规模应用提供了理论依据, 也为监测和控制这一类透明导电材料的生长过程提供了可能性.     

Ni离子掺杂锐钛矿相TiO2体系的第一性原理研究

采用自旋密度泛函理论的第一性原理方法并结合晶体配位场理论,研究了Ni离子掺杂锐钛矿相TiO₂体系（Ni_xTi_1-xO₂;Ni_xTiO₂）的几何结构、缺陷形成能、电子结构以及磁性特征等问题。结果表明：实验上发现的有关Ni掺杂TiO₂体系的很多矛盾,如：晶粒体积的增减、掺杂Ni离子的不同价态、吸收光谱带边移动方向和体系磁性特征的差异等问题都可归因于Ni离子掺杂类型的不同（Ni_Ti;Ni_in）。分析表明,不同的Ni离子掺杂类型导致所成Ni-O键的键长和电荷布居不同,从而使Ni离子呈现不同的价态,这也是体系宏观电学和磁学性能差异的根本原因。形成能计算表明,通过控制Ni-TiO₂晶体生长过程中的氧环境,可以人为的控制Ni离子的掺杂类型。     

C40X2（X=H,F,Cl,Br）的理论研究

应用密度泛函理论在B3LYP/6-31G*水平上对C40X2(X=H,F,Cl,Br)进行研究.研究结果表明,C40X2(X=H,F,Cl,Br)在热力学上是稳定的,卤化衍生物的稳定性随卤素原子序数的增大而降低,最有利的衍生化方式是1-4加成,1-2与1-4加成的卤化和氢化衍生物在所研究的分子中较为稳定.这些研究有助于理解富勒烯衍生物的衍生化模式.     

MoO2储锂性能及循环容量反常特性的第一性原理研究

基于第一性原理,对MoO2作为电极材料的储锂性能进行了计算,并探讨了其储锂容量在一定循环次数内呈上升的反常现象微观机理.计算了MoO2材料中Li的单键能,态密度(DOS)及其嵌锂电压,结果表明MoO2中Li的吸附能较大,储锂结构稳定.嵌锂结构呈金属性,嵌锂电压变化规律与文献实验结果一致.针对循环容量反常特性,计算了Mo的空位形成能,LiMoO2的差分电荷密度以及电荷布居情况,计算结果表明Li的嵌入能为O提供电荷,减弱了Mo—O键间的相互作用,另一方面嵌入的Li能减弱Mo空位形成后的电荷极化作用,从而大大降低Mo空位的形成能.形成的Mo空位能为Li的嵌入提供了新的吸附位点,提高了嵌锂的容量.计算结果与实验符合得很好,能为电极材料储锂性能的改善提供一定的理论指导.     

Se和SeO2在O2/CaO (001)表面吸附反应的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理和平板模型构造了最稳定的O₂/CaO（001）表面,通过优化Se和SeO₂在此表面可能的初始吸附结构得到最佳吸附构型,分析了Se原子在O₂/CaO（001）表面向SeO₂的转化。结果表明,Se原子在O₂/CaO（001）表面的稳定吸附构型主要有两种,即O-Se-O和O-O-Se基团,其中,O-O-Se基团的Se终端具有一定化学活性;Se在O₂/CaO（001）表面向SeO₂转化所需反应能垒小于均相条件下生成SeO₂所需反应能垒,表明CaO不仅作为吸附剂,也能促进Se向SeO₂的转化;SeO₂分子在O₂/CaO（001）表面发生化学吸附时,吸附基底的部分价电子转移至SeO₂分子轨道中。     

Cr掺杂Cu2O的光催化性质的第一性原理研究

采用第一性原理计算的方法,研究了不同浓度及不同位置Cr掺杂Cu₂O体系的缺陷形成能、电子结构和可见光区域的光催化性质及产生机理。结果表明,本征Cu₂O显示半导体特性,在可见光区域吸收很弱;不同浓度、不同位置的Cr掺杂体系均是稳定的,显示金属特性。与本征Cu₂O相比,随着Cr掺杂浓度的增大,体系在可见光范围内的吸收峰均有不同程度的增强,并且两个Cr原子近邻掺杂时可见光区域的吸收系数最大,光催化效率最强。态密度分析发现,Cr掺杂体系在可见光范围的吸收主要由Cr 3d态电子的带内跃迁产生;不同掺杂浓度和结构构型主要影响材料在长波长段的物理性质,而对短波长段的性质影响很小。因此,通过增大Cr掺杂浓度及调控掺杂位置可以提高Cu₂O在可见光区域的光催化效率,推动Cu₂O在光催化方面的发展。     

硼掺杂单层MoSi2N4锂离子吸附与扩散行为的第一性原理研究

采用平面波超软赝势方法研究了硼掺杂单层MoSi₂N₄的锂离子吸附与扩散行为。建立了替换位、间隙位、吸附位硼掺杂单层MoSi₂N₄三类物理模型（共6种构型）。结果表明：硼原子替换表面氮原子的构型最为稳定,该构型下的锂离子吸附能在-1.540~-1.910 eV之间。通过分析电子密度差分图,可知硼掺杂引起MoSi₂N₄表面的电荷重新分布,即硼与氮获得了来自锂离子的电子转移,导致锂离子在其表面吸附能增加。比较锂离子在硼掺杂MoSi₂N₄表面的吸附能,推断其扩散路径为D→F,扩散势垒为0.077 eV,表明锂离子在该表面具有较高的脱嵌速率。     

CuO掺杂C3N对HF吸附性能的第一性原理研究

本文选择CuO作为掺杂物,新型类石墨烯二维材料C₃N为基底,基于第一性原理研究了本征C₃N以及掺杂单个和4～6个CuO分子的C₃N对HF的吸附过程,计算分析了各吸附体系的吸附能、差分电荷密度、态密度和恢复时间等参数.结果表明,经过掺杂改性后的C₃N对HF的吸附要强于本征C₃N,1CuO-C₃N对HF的吸附性能最好,5CuO-C₃N其次,而4CuO-C₃N与6CuO-C₃N对HF仅为物理吸附.另外还发现掺杂体系的能带带隙越小、金属性越强、其对HF的吸附作用就越强.再结合恢复时间,确定即使在高温环境中1CuO-C₃N也能实现对HF的有效去除,因此1CuO-C₃N可以作为HF的气体吸附剂应用于氟碳类绝缘气体的废气处理领域.     

基于第一性原理的无铅无机钙钛矿Cs3Bi2X9(X=Cl、Br、I)光电性能表面效应研究

用基于第一性原理的密度泛函理论方法,对Cs₃Bi₂X₉(X=Cl、Br、I)的光电特性进行理论计算,并系统阐述这3种晶体的表面效应对光电性能的影响。结果表明,3种材料的光学特性由铋原子和卤素原子最外层p轨道上的价电子主导。在可见光区中,材料的吸收峰会随卤素原子序数的增加呈现红移,其中一维结构的Cs₃Bi₂Cl₉表面结构在光吸收能力上尤为特别且敏感;二维结构的Cs₃Bi₂Br₉光吸收能力会受厚度影响;零维结构的Cs₃Bi₂I₉非常稳定,且几乎不受表面特性和晶体厚度的影响。     

基于第一性原理的无铅无机钙钛矿Cs3Bi2X9(X=Cl、Br、I)光电性能表面效应研究

用基于第一性原理的密度泛函理论方法,对Cs₃Bi₂X₉（X=Cl、Br、I）的光电特性进行理论计算,并系统阐述这3种晶体的表面效应对光电性能的影响。结果表明,3种材料的光学特性由铋原子和卤素原子最外层p轨道上的价电子主导。在可见光区中,材料的吸收峰会随卤素原子序数的增加呈现红移,其中一维结构的Cs₃Bi₂Cl₉表面结构在光吸收能力上尤为特别且敏感;二维结构的Cs₃Bi₂Br₉光吸收能力会受厚度影响;零维结构的Cs₃Bi₂I₉非常稳定,且几乎不受表面特性和晶体厚度的影响。     

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.     

C72衍生物C72X4（X=H,F,Cl）的理论研究

在混合密度泛函B3LYP理论下,用6-31G*基函数对富勒烯C72及其衍生物C72X4(X=H,F,Cl)进行了几何构型优化。计算了分子静电势、前线轨道能级差、反应能、核独立化学位移(NICS)和振动频率。计算结果表明,C72(#11188)球外负静电势出现在一对相邻五边形公共顶点以及两个六边形-五边形-六边形公共顶点区域,这些点即为化学反应中最可能的活性点;C72X4均是势能面上的稳定驻点;C72X4的能隙比C72大,这些加成反应都是放热的,并且具有很强的芳香性。因此它们都有可能合成出来。     

α,β,γ,δ,ε,η-Bi_2O_3电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的CASTEP模块研究了α,β,γ,δ,ε和η-Bi_2O_3晶型,计算分析了其几何结构、能带结构、电子态密度和光学性质.结果表明,α,ε和η相均为层状结构,其中,α和ε相为单层—Bi—O—结构,而η相为双层—Bi—O—结构;β,γ和δ相为—Bi_m—O_n—交错结构,其中δ相交错尤为密集,呈现导体特性.各晶相的导带均由Bi 6p态构成,价带由O__(2p)态起主导作用.电势电位分析结果表明,6种晶相价带电位均在H_2O/O_2之下,具有强氧化能力,与实验报道的光催化氧化能力大小顺序γ-Bi_2O_3β-Bi_2O_3α-Bi_2O_3δ-Bi_2O_3一致,而导带还原电位低于H_2/H_2O,预测纯Bi_2O_3很难具备催化产氢能力.光学性质分析发现,γ和δ相的起始响应波长较大,说明其应具备红外激发的性质.这些结果可为获得偏红外激发和较宽光谱响应的Bi_2O_3材料研究提供理论基础,为研发和应用Bi_2O_3及其复合物提供重要的指导.     

g-C3N4纳米带的电子结构及光学性质的第一性原理计算

采用密度泛函理论的第一性原理方法研究了扶手椅型g-C₃N₄纳米带（AC-g-C₃N₄NRs）和锯齿型g-C₃N₄纳米带（ZZ-g-C₃N₄NRs）的电子结构和光学性质。结果表明：AC-g-C₃N₄NRs和ZZ-g-C₃N₄NRs的边缘H原子均能稳定存在。AC-g-C₃N₄NRs的价带顶主要由多数N原子贡献,而ZZ-g-C₃N₄NRs的价带顶主要由CH边缘附近的N原子贡献。AC-g-C₃N₄NRs的导带底主要属于纳米带一侧边缘或两侧边缘附近的C原子和N原子,而ZZ-g-C₃N₄NRs导带底主要属于ZZ-g-C₃N₄NRs的NH边缘附近的C原子和N原子。AC-g-C₃N₄NRs和ZZ-g-C₃N₄NRs的吸收系数和反射率都随纳米带宽度的增加而增加。随着AC-g-C₃N₄NR宽度的增加,吸收系数在低能区域产生明显的蓝移现象。     

杂苯C5H5X（X=N,P,As,Sb,Bi）芳香性的核独立化学位移（NICS）与异构体稳定化能（ISE）研究

应用量子化学方法,通过核独立化学位移(NICS)和异构体稳定化能(ISE)的计算,研究了苯及第五主族元素取代杂苯分子C5H5X(X=N,P,As,Sb,Bi)的芳香性与稳定性.局域轨道定位函数局部最大值的计算结果表明,分子中C—X成键强度与实验稳定性顺序一致.从头算与密度泛函理论对分子的化学位移计算结果各异,计算值与实验值相关分析表明,Hartree-Fock方法对所研究体系的NICS比密度泛函理论具有更好的相关性.在分子环平面上方0.8～0.9处的NICS是芳香性判据的最佳选择,由自然定域分子轨道分解NICS最大处的zz张量值,结果显示π键对分子的芳香性起主要贡献.异构体稳定化能与NICS(max)的zz张量及π键(NICS(max)zzπ)均有很好的相关性,可以表征杂苯分子C5H5X全局芳香性,其顺序为:苯>吡啶>磷杂苯>砷杂苯>锑杂苯>铋杂苯.特别地,对这类分子π轨道的研究发现不包含X原子的π轨道将产生异常大的π键芳香性,这一现象可为分子磁性设计提供理论指导.     

Ag_3XO_4(X=P,As,V)电子结构及光催化性质的第一性原理计算

基于密度泛函理论的第一性原理对Ag_3XO_4(X=P,As,V)电子结构及光催化性质进行了对比研究。与Ag_3XO_4相比,Ag_3VO_4较好的光催化稳定性主要源于其结构中Ag-O间较强的作用力增加了对Ag+的控制,而Ag_3VO_4弱的光催化活性与其导带底中存在d轨道成份以及较低的价带边势(2.335 V,vs NHE)有关;对Ag_3AsO_4而言,其优于Ag_3XO_4光催化活性的原因基于三个方面:(1)由高分散Ags-Ags杂化轨道构成的导带底能带;(2)窄的带隙(1.91 e V);(3)宽的可见光响应范围以及高的光吸收系数。此外,Ag_3XO_4(X=P,As,V)均为间接带隙半导体光催化材料,其中,Ag_3VO_4有用于分解水制氢研究的可能;上述计算结果与实验结果吻合。     

Fe+与CH3X（X=Cl,Br,I）反应的理论研究

铁及其复合物催化的C—X键功能化日益引起人们的重视.采用密度泛函理论(DFT),在B3LYP/def2-SVP水平下详细研究了Fe+与CH3X(X=Cl,Br,I)的反应活性和机理.计算结果表明标题反应存在两种反应机制,即插入机制和SN2机制.从机理上来看,在插入机理中,反应都始于Fe+离子从侧面进攻CH3X,生成产物FeX+和CH3;而在SN2机制中,反应则始于Fe+离子从背后进攻CH3X,生成产物3FeCH+和X.从我们的计算可以看出,四重态或六重态下的Fe+离子在C—X键活化中展现了截然不同的催化活性;在所有通道中,都以四重态为主导;SN2机制中相对较高的决速能垒使其丧失了竞争性.再者,计算表明在所有的插入机制中,所有通道都是放热的,而在SN2机制中,仅有X=I时,反应是放热的.此外,计算表明这些反应属于两态反应活性,两种机制中,在反应的入口和出口存在最小能量交叉点.此外,反应途径电子结构追踪分析表明自旋极化对能量影响较大,调控着反应采取的反应通道和主副产物比例.通过本文的理论研究,尤其是详细的电子结构分析,为铁催化剂活化C—X键和C—C耦联反应提供了线索和以铁为基的催化剂设计提供理论依据.     

O掺杂MgF2电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了O原子不同比例(12.5％,8.33％和6.25％)掺杂MgF2晶体的几何结构、电子结构和光学性质.通过对比发现,由于O原子的掺入,体系的禁带宽度减小,材料呈现半金属性.计算也表明,O掺杂对静态介电常数和光吸收系数有重要调制作用,同时也给出了体系性质变化的...