5d过渡金属原子掺杂氮化硼纳米管的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了当氮化硼纳米管（BNNT）中的B原子和N原子被5d过渡金属原子（Lu,Hf,Ta,W,Re,Os,Ir,Pt,Au,Hg）取代时BNNT的几何结构、电子结构和磁性性质. 作为对比,给出了理想BNNT,B缺陷体系（V_B）和N缺陷体系（V_N）的相应结果. 研究发现：5d原子取代B（B_5d）时体系的局域对称性接近于C_3v,但是取代N（N_5d）时体系的局域对称性偏离C_3v对称性较大;利用相同的5d原子进行掺杂时,B_5d的成键能比N_5d的成键能大;对于B_5d或者N_5d,其成键能基本上随着5d原子的原子序数的增大而降低;掺杂体系中出现了明显的杂质能级,给出了态密度等结果;不同掺杂情况的磁矩不同,取代B 时体系的总磁矩呈现出较强的规律性. 利用对称性和分子轨道理论解释了5d原子取代B时杂质能级的产生和磁性的变化规律. 关键词： 第一性原理计算 5d过渡金属原子 氮化硼纳米管 密度泛函理论     

空位及氮掺杂二维ZnO单层材料性质:第一性原理计算与分子轨道分析

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,系统地研究了带缺陷的二维类石墨烯结构的ZnO(graphenelike-ZnO,g-ZnO)的几何结构、电子结构、磁性性质和吸收光谱性质.研究的缺陷类型包括锌原子空位(VZn_g-ZnO)、氧原子空位(VO_g-ZnO)、氮原子取代氧原子(NO_g-ZnO)和表面吸附氮原子(N@g-ZnO).研究发现:NO_g-ZnO体系和N@g-ZnO体系形变较小,而空位体系会引入较大的形变;g-ZnO本身无磁矩,引入Zn空位后,VZn_g-ZnO体系总磁矩为2.00μB;VO_g-ZnO体系无磁矩,但N掺杂后的NO_g-ZnO体系和氮吸附的N@g-ZnO体系的总磁矩分别为1.00μB和3.00μB.利用掺杂体系的局域对称性和分子轨道理论分析了杂质能级和磁矩的产生原因,并且通过分析光吸收曲线得知,引入空位缺陷或者N原子掺杂,可以有效增强g-ZnO单层材料的光吸收性能.研究结果对系统地理解g-ZnO及其缺陷模型的性质有重要意义,可以为发展基于g-ZnO的纳米电子器件和光催化应用提供理论参考.     

Rb原子修饰缺陷h-BN单层储氢性能的第一性原理研究

基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法,系统的研究了碱金属Rb原子修饰具有空位缺陷h-BN单层体系的储氢性能.发现Rb原子可稳定吸附在h-BN单层的B单空位缺陷(V_B)上,且Rb原子间无团簇倾向,单个Rb原子最多可稳定吸附5个H₂分子,H₂分子平均吸附能在0.18-0.21 eV范围内.电子结构分析表明H2分子主要通过极化机制和轨道杂化作用吸附在Rb修饰的缺陷h-BN单层体系上.Rb双侧修饰缺陷h-BN单层体系的理论储氢质量比可以达到5.0 wt%.基于范特霍夫方程和从头算分子动力学(AIMD)模拟对储氢体系的热力学稳定性进行了进一步的研究.     

含空位二维六角氮化硼电子和磁性质的密度泛函研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算, 研究了含B原子空位(V_B), N原子空位(V_N), 以及含B–N键空位 (V_B+N)缺陷的二维氮化硼(h-BN)的电子和磁性质. 在微观结构上, V_B体系表现为在空位附近的N原子重构成等腰三角形, V_N体系靠近空穴的B 原子形成等边三角形, V_B+N体系靠近空穴处的B和N原子在h-BN平面上重构为梯形. 三种空位缺陷都使h-BN的带隙类型从直接带隙转变为间接带隙. V_B体系的总磁矩为1.0 μ_B, 磁矩全部由N原子贡献. 其中空穴周围的三个N原子磁矩方向不完全一致, 存在着铁磁性和反铁磁性两种耦合方式. 对于V_N 体系, 整个晶胞内的总磁矩也为1.0 μ_B, 磁矩在空穴周围区域呈现一定的分布. 关键词： 二维h-BN 空位 电子结构 磁性     

5d过渡金属原子掺杂氮化铝纳米管电子结构、磁性性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法, 研究了5d过渡金属原子(Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg)取代AlN纳米管(AlNNTs)中的铝原子或氮原子时体系的几何结构、电子结构和磁性性质; 并且以理想AlN纳米管(AlNNTs)、Al缺陷体系(VAl)和N缺陷体系(VN)的结果作为对比. 研究发现: 5d 原子取代Al(Al5d)时体系的局域对称性接近于C3v, 但是取代N(N5d)时体系的局域对称性偏离C3v对称性较大; 当掺杂的5d元素相同时, Al5d的成键能比N5d的成键能大; 当掺杂体系相同时(Al5d或N5d), 其成键能基本上随着5d原子的原子序数的增大而降低; 掺杂体系中出现了明显的杂质能级, 给出了态密度等结果; 不同掺杂情况的磁矩不同, 总磁矩呈现出较强的规律性. 利用C3v对称性和分子轨道理论解释了过渡金属原子取代Al时杂质能级的产生和体系磁性的变化规律.     

5d过渡金属原子掺杂氮化铝纳米管电子结构、磁性性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法, 研究了5d过渡金属原子(Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg)取代AlN纳米管(AlNNTs)中的铝原子或氮原子时体系的几何结构、电子结构和磁性性质; 并且以理想AlN纳米管(AlNNTs)、Al缺陷体系(VAl)和N缺陷体系(VN)的结果作为对比. 研究发现: 5d 原子取代Al(Al5d)时体系的局域对称性接近于C3v, 但是取代N(N5d)时体系的局域对称性偏离C3v对称性较大; 当掺杂的5d元素相同时, Al5d的成键能比N5d的成键能大; 当掺杂体系相同时(Al5d或N5d), 其成键能基本上随着5d原子的原子序数的增大而降低; 掺杂体系中出现了明显的杂质能级, 给出了态密度等结果; 不同掺杂情况的磁矩不同, 总磁矩呈现出较强的规律性. 利用C3v对称性和分子轨道理论解释了过渡金属原子取代Al时杂质能级的产生和体系磁性的变化规律.     

5d过渡金属原子掺杂氮化铝纳米管电子结构、磁性性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法,研究了5d过渡金属原子(Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg)取代Al N纳米管(Al NNTs)中的铝原子或氮原子时体系的几何结构、电子结构和磁性性质;并且以理想Al N纳米管(Al NNTs)、Al缺陷体系(VAl)和N缺陷体系(VN)的结果作为对比.研究发现:5d原子取代Al(Al5d)时体系的局域对称性接近于C3v,但是取代N(N5d)时体系的局域对称性偏离C3v对称性较大;当掺杂的5d元素相同时,Al5d的成键能比N5d的成键能大;当掺杂体系相同时(Al5d或N5d),其成键能基本上随着5d原子的原子序数的增大而降低;掺杂体系中出现了明显的杂质能级,给出了态密度等结果;不同掺杂情况的磁矩不同,总磁矩呈现出较强的规律性.利用C3v对称性和分子轨道理论解释了过渡金属原子取代Al时杂质能级的产生和体系磁性的变化规律.     

第一主族元素(Li,Na,K)和第二主族元素(Be,Mg,Ca)掺杂二维六方氮化硼单层的第一性原理计算研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了第一、第二主族元素取代六方BN单层中的B的几何结构、磁性性质和电子结构.研究发现,掺杂的BN单层出现明显的自旋极化特性.对Li,Na,K而言,掺杂后超胞的总磁矩为2μB,对Mg,Ca而言,超胞的总磁矩为1μB,磁矩主要局域在与杂质原子最近邻的N原子上.而对于Be,超胞的总磁矩为0.705μB,磁矩分散在所有的N原子上.对于6种掺杂情况,给出了相应的自旋密度图.掺杂体系产生明显的杂质能级,给出了总态密度和局域投影态密度等结果,分析了杂质能级的产生.发现Mg和Ca掺杂体系的态密度具有明显的半金属特性.     

钴铝共掺3C-SiC电子结构和磁性的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,分别计算了不同Co原子比例单掺杂、Al原子单掺杂和Co-Al共掺杂3C-SiC的电子结构和磁性参数.结果表明:随着掺杂Co原子比例的增大,单个Co原子对体系总磁矩贡献的平均值反而减小.由电子态密度分析掺杂3C-SiC体系中的磁性来源,主要是由Co-3d以及Co原子附近的C-2p电子轨道的自旋极化产生的. Al单掺3C-SiC时体系中每个原子的平均磁矩和体系总磁矩均为0,即Al单掺杂体系不具有磁性.而Co-Al共掺杂得到的体系总磁矩比单掺等量Co时要大约0. 09μB,即Co-3d与Al-3p电子轨道发生轨道杂化,使得Co-Al共掺杂可以增大Co原子对体系总磁矩的贡献.     

六方氮化硼单层有序缺陷和无序缺陷体系几何结构、电子结构和磁性性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法,系统研究了12×12的六方氮化硼单层(h-BNS)有序缺陷和无序缺陷对体系几何结构、电子结构和磁性性质的影响,并与理想的h-BNS、一个B原子缺陷体系(VB)、一个N原子缺陷体系(VN)进行比较. 研究发现：缺陷周围原子位置发生明显改变;硼原子缺陷体系的费米能级向下移动而氮原子缺陷体系的费米能级向上移动,并且硼原子缺陷体系费米能级的相对移动比氮原子缺陷体系费米能级的相对移动大;h-BNS本身没有磁矩,但缺陷体系都有磁矩,其中VB 和VN体系的总磁矩为1μB,其余的有序和无序缺陷体系的总磁矩也都不为零且B原子缺陷体系的总磁矩明显大于N原子缺陷体系的总磁矩。     

碳、氧、硫掺杂二维黑磷的第一性原理计算

基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,研究了二维黑磷中的碳原子(C P)、氧原子(C P)、硫原子(S P)掺杂的几何结构、磁学性质和电子结构.发现掺杂体系结构稳定,C P和O P体系形变较大,而S P体系形变较小;二维黑磷本身无磁矩,掺杂后都具有1μB的总磁矩.由于掺杂体系具有稳定的铁磁性,使其在自旋电子器件方面可发挥重要的作用.     

First-principles study of intrinsic defect properties in hexagonal BN bilayer and monolayer

The formation energies and transition energy levels of intrinsic defects in hexagonal BN (h-BN) bilayer and monolayer have been studied by first-principles calculations based on density functional theory. Our calculated results predict that excellent intrinsic p-type and n-type conductivities are very difficult to be realized in h-BN bilayer and monolayer. This is because of the high formation energies of acceptor-like defects (≥4.6 eV ) and the rather deep transition energy levels of donor-like defects (≥2.0 eV ). In order to obtain h-BN layers with more efficient p-type and n-type conductivity, extrinsic doping using foreign impurities is necessary.     

基于密度泛函理论下O和Na掺杂单层h-BN的电子结构性质和光学效应的分析

基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了O、Na单掺杂及O和Na共掺杂单层h-BN的形成能、电子结构和光学性质.结果表明:单掺杂体系中,O掺杂N位置、Na掺杂B位置时,掺杂形成能最低;共掺杂体系中,O和Na邻位掺杂,掺杂形成能最低.与单层h-BN相比,引入杂质原子后的体系禁带宽度均减小,其中O掺杂为n型掺杂,Na掺杂为p型掺杂,而O和Na共掺h-BN体系为直接带隙材料,有利于提高载流子的迁移率.在光学性质方面,Na掺杂h-BN体系与O和Na共掺h-BN的静介电常数均增大,在低能区介电虚部和光吸收峰均发生红移,其中Na掺杂体系红移最为显著,极化能力最强.因此Na单掺和O和Na共掺有望增强单层h-BN的光催化能力,可扩展其在催化材料、光电器件等领域的应用.     

过渡金属掺杂的扶手椅型氮化硼纳米带的磁电子学特性及力-磁耦合效应

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了多种过渡金属(TM)掺杂扶手椅型氮化硼纳米带(ABNNR-TM)的结构特点、磁电子特性及力-磁耦合效应.计算的结合能及分子动力学模拟表明ABNNRTM的几何结构是较稳定的,同时发现对于不同的TM掺杂,ABNNRs能表现出丰富的磁电子学特性,可以是双极化磁性半导体、一般磁性半导体、无磁半导体或无磁金属.双极化磁性半导体是一种重要的稀磁半导体材料,它在巨磁阻器件和自旋整流器件上有重要的应用.此外,力-磁偶合效应研究表明:ABNNR-TM的磁电子学特性对应力作用十分敏感,能实现无磁金属、无磁半导体、磁金属、磁半导体、双极化磁性半导体、半金属等之间的相变.特别是呈现的宽带隙半金属对于发展自旋电子器件有重要意义.这些结果表明:可以通过力学方法来调控ABNNR-TM的磁电子学特性.     

Molecular Beam Epitaxy Growth and Electronic Structures of Monolayer GdTe_3

GdTe_3 is a layered antiferromagnetic(AFM) metal with charge density wave(CDW).We grew monolayer(ML)GdTe_3 on graphene/6H-SiC(0001) substrates by molecular beam epitaxy.The electronic and magnetic structures are studied by scanning tunneling microscopy/spectroscopy,quasi-particle interference(QPI) and first-principles calculations.Strong evidence of CDW persisting at the two-dimensional(2D) limit is found.Band dispersions and partially gapped energy bands near the Fermi surface are revealed by the QPI patterns.By density functional theory +U calculations,AFM order with stripe pattern is found to be the magnetic ground state for ML GdTe_(3).These results provide fundamental understanding and pave the way for further investigation of GdTe_3 at the 2D limit.     

六角氮化硼(h-BN)对单层硒化铟(InSe)的调制效应及这一新结构的电子性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算和分析了三种InSe/h-BN异质结的结构和电子性质.研究发现InSe/h-BN异质结具有间接带隙特点,并且价带顶和导带底的贡献均来自于InSe,差分电荷密度表明体系中没有明显的电荷交换.通过体系能带结构,我们发现h-BN层对单层InSe有着明显的调控效应.对比纯粹应变调控下单层的InSe的能带结构,发现h-BN对InSe能带结构的调控效应实际上是由InSe和h-BN之间的相互作用而诱导的晶格应变引起的.我们的研究结果表明,单层InSe沉积或生长在不同h-BN片上可以获得不同的晶格应变,实现对单层InSe能带结构的有效调控.