完全Heusler合金Cr2ZrSb/Sc2FeSn(100)异质结的结构、电磁特性及电子性质

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,系统研究了完全Heusler合金Cr₂ZrSb/Sc₂FeSn(100)异质结中六种界面CrCr-ScFe-T、ZrSb-ScSn-T、CrCr-ScSn-B、ZrSb-ScFe-B、CrCr-ScFe-V和 ZrSb-ScSn-V的电磁特性及电子性质。结果表明,界面原子间的相互作用造成了界面间原子层的不均匀,导致界面层的力学失配率加大。与块体中的高自旋极化率相比,异质结的自旋极化率遭到不同程度的破坏。但是,ZrSb-ScFe-B界面保留了较高的自旋极化率值,通过Julliere模型预测该异质结在低温下隧道磁电阻值约为429.29%,在自旋电子学器件中具有潜在的应用前景。     

Mn掺杂半金属铁磁体Fe2Si电磁特性的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论第一性原理的贋势平面波方法,计算了不同比例Mn掺杂Fe2-xMnxSi体系的电子结构和磁学特性,分析了不同比例Mn掺杂对Fe2-xMnxSi体系电磁特性的影响.计算结果表明:不同比例Mn掺杂Fe2-xMnxSi体系是铁磁体,自旋向上的能带结构穿过费米面表现金属特性,未掺杂Fe2Si的半金属隙为0.164eV;掺杂比例为8.3;时,自旋向下部分转变为L间的直接带隙半导体,Fe2-xMnxSi(x=0.17)体系呈现半金属特性;掺杂比例为12.5;时,自旋向下部分转变为A间的直接带隙半导体,Fe2-xMnxSi(x=0.25)体系呈现半金属特性;掺杂比例为25;时,自旋向下部分的带隙值接近于0,Fe2-xMnxSi(x=0.5)体系呈现金属特性.Mn掺杂使Fe2-xMnxSi体系的能带结构和电子态密度向低能方向移动,费米能级落入自旋向下的禁带之中,使得自旋极化率达到100;.Fe2-xMnxSi体系的半金属性和磁性主要来源于Fe-3d电子与Mn-3d电子之间的d-d交换,Si-3p电子与Fe-3d电子之间的p-d杂化.这些结果为半金属铁磁体Fe2Si的电磁调控提供了有效的理论指导.     

基于第一性原理的单层WS2热输运特性研究

二维WS₂是一种层状过渡金属硫化物,因其具有特殊的层状结构、可调带隙及稳定的物理化学性质而备受关注。结合玻尔兹曼输运方程(BTE)和密度泛函理论(DFT),利用第一性原理研究了单层WS₂声子的输运特性,分析了声子的谐性效应和非谐性效应对WS₂晶格热导率的影响机理,计算了其声子的临界平均自由程,提出通过调整阻断频率的方法来调控WS₂的晶格热导率。研究结果表明：单层WS₂在300 K时的本征晶格热导率为149.12 W/(m·K),且随温度的升高而降低;从各声子支对总热导率的贡献来看,声学声子支起主要作用,特别是纵向声学(longitudinal acoustic, LA)声子支对单层WS₂热导率的贡献百分比最大(44.28%);单层WS₂声学声子支和光学声子支之间的较大带隙(声光学声子支之间无散射)导致其具有较高的晶格热导率。本文研究可为基于单层WS₂纳米电子器件的设计和改进提供借鉴和理论指导。     

O、Se和Te掺杂对单层MoS2电子能带结构和光学性质的影响

利用密度泛函理论第一性原理,计算了本征单层MoS2以及O、Se和Te掺杂单层MoS2的结构参数、能带结构、氧化还原电势、态密度、光吸收特性和光催化潜力.结果表明,本征和掺杂单层MoS2的晶胞参数、键长随原子半径的增大而增大,键角随原子半径的增大而减小.掺杂后禁带宽度变小,导电性增强.本征和掺杂的单层MoS2的导带底电位负于水解制氢反应的还原势,其价带顶电位正于水解制氢反应的氧化势,均具有光催化水解制氢的潜力.但是,本征和O掺杂,由于价带顶与导带底电位相应于水的氧化还原势和电子空穴需求量均存在不平衡,使其光解水性能不理想.然而,Se和Te掺杂可以平衡其还原与氧化能力,改善单层MoS2的光催化的性能,其中Se掺杂改善效果最为明显.同时,掺杂后的单层MoS2对可见光吸收效率增强.此研究有助于筛选合适的单层MoS2掺杂元素,提高单层MoS2材料的光催化水解制氢性能.     

Co掺杂改性CaTi2O4(OH)2纳米片的溶剂热制备及电化学性能

利用无水氯化钙-钛酸四正丁酯-无水乙醇体系,通过掺杂Co元素,用溶剂热法制备了CaTi2O4(OH)2片状结构.利用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对样品的显微结构进行检测分析,并利用CHI660E电化学工作站测试掺杂样品电化学性能,研究掺入Co元素对CaTi2O4 (OH)2样品的物相结构、微观形貌以及其电化学性能的影响.实验结果表明:随着钴离子掺入量增加样品的比电容先增加后减小,当Co掺杂量为2;样品的电化学性能最优,且在10 mA/cm2的工作电流密度下,其比电容为496.3 F·g-1.     

六方Fe2Ge合金块体及其(001)表面电子结构和磁性的第一性原理

采用基于密度泛函理论第一性原理的赝势平面波方法,计算了块体Fe₂Ge及其(001)表面的电子结构和磁性。考虑了两种类型的终端(001)表面:Ge(Ⅰ)-(001)表面和Ge(Ⅱ)-(001)表面。电子结构方面,不同类型的Fe₂Ge(001)表面都表现出金属特性,这与块体的金属性保持一致。通过计算它们的自旋极化率,得出Ge(Ⅰ)-(001)表面的自旋极化程度最高。磁性方面,在块体和Ge(Ⅱ)-(001)表面的Ge原子是铁磁自旋有序的,而在Ge(Ⅰ)-(001)表面第一层的Ge原子是亚铁磁自旋有序的。此外,Ge(Ⅱ)-(001)表面Ge原子的自旋磁矩优于块体中和Ge(Ⅰ)-(001)表面Ge原子的自旋磁矩。这些结果与Fe的d态和Ge的p态电子的杂化有关,本文中通过分析它们的态密度进行了讨论。     

硅醇在含羟基K2Ti6O13(010)表面吸附特性的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法对H2O分子诱生的羟基在六钛酸钾K2Ti6O13 (010)表面的形成过程及其对硅醇在K2Ti6O13 (010)表面吸附性能的影响及机理进行研究.结果表明:引入的单个H2O分子在K2Ti6O13 (010)表面可自发分解为OH-和H+,两者会分别与表面的Ti及其近邻的O结合,进而在表面形成两个羟基;羟基的存在会使硅醇在K2Ti6O13 (010)表面实现由物理吸附至化学吸附的转变,极大地增强了硅醇与K2Ti6O13表面的结合强度,很好地解释了实验现象;电子结构分析表明,羟基改善硅醇在K2Ti6O13表面结合强度的根源应归因于羟基与硅醇中的Osp轨道电子的贡献.     

Ti3(ZnxAl1-x)C2固溶体热学、电学和力学性质的理论研究

采用第一性原理的密度泛函理论平面波赝势法, 通过投影缀加波(PAW)和广义梯度近似(GGA)系统地研究了Ti₃(Zn_xAl_1-x)C₂的结构、能量、声子性质、电子性质和弹性性质。对MAX相Ti₃AlC₂晶体中A位置的Al元素用Zn元素进行替换掺杂,构建出Ti₃(Zn_xAl_1-x)C₂(x=0,0.25,0.5,0.75,1)固溶体结构模型。计算分析表明:在所研究的掺杂浓度范围内Ti₃(Zn_xAl_1-x)C₂均是热力学、动力学和力学稳定的脆性材料;此外,Ti₃(Zn_xAl_1-x)C₂(x=0,0.25,0.5,0.75,1)均呈现金属性,在费米能级处的电子态密度主要贡献来自Ti-3d态,同时具有离子键、共价键和金属键的综合性质。随着Zn原子掺杂浓度的增加,在一定程度上其导电性和塑性均增强。     

高压对Ti2AlX(X=C,N)结构、弹性和电子性质的影响

采用第一性原理方法,对比研究了Ti2AlC和Ti2AlN在高压下的结构、弹性和电子性质.结果表明,Ti2 AlC和Ti2AlN的品格常数a、c和体积V均随着外压的增大减小,但二者变化规律略有不同,都体现了材料的各向异性.通过对弹性常数、体模量、剪切模量、杨氏模量等弹性性质的分析,发现它们均随外压的增加而增大,并验证了Ti2AlC和Ti2AlN在0～50 GPa范围内的力学稳定性.此外,还从电子态密度的角度考察了Ti2AlC和Ti2AlN的电子性质,认为它们均具有共价键和金属键的双重特性,并发现在0 ～ 50 GPa范围内压力对态密度影响较小.本文计算结果与已有实验值和理论值吻合较好.     

第一性原理研究Ag掺杂及缺陷共存对ZnO光催化性质的影响

运用第一性原理研究了Ag掺杂及缺陷共存对ZnO光电性质的影响。计算结果表明富O条件有利于Ag的掺杂,贫O条件不利于Ag的掺杂。Ag掺杂浓度较低时有利于模型的稳定,其在富O或贫O条件下都以Ag_Zn为主要掺杂方式。当Ag掺杂浓度较高时,富O条件下以Ag_Zn-Ag_Zn为主要掺杂方式,贫O条件下Ag_Zn-Ag_i是较为有利的掺杂方式。富O条件下Ag掺杂较难引入V_Zn和O_i共存缺陷。贫O条件下优先出现的模型为V_O,V_O在一定程度上会促进Ag的掺杂。Ag掺杂降低了ZnO的带隙宽度,掺杂浓度越大模型带隙宽度越窄。V_Zn、V_O和O_i缺陷共存不同程度地增加了Ag掺杂模型的带隙宽度。Ag掺杂及V_Zn和O_i缺陷共存均使ZnO吸收边红移至可见光区,扩展了ZnO对太阳光的吸收范围,而Ag_Zn-V_O在可见光范围内依然是透明。在低能区紫外-可见光范围内,Ag_Zn-Ag_Zn表现出更高的光吸收率,但是相应形成能也高于Ag_Zn。V_Zn的引入提高了Ag_Zn-V_Zn和Ag_Zn-Ag_Zn-V_Zn对低能区紫外-可见光的吸收,V_O的引入有利于ZnO表面吸附更多的O₂进而产生更多的H₂O₂和·HO强氧化性物质,即V_Zn和V_O缺陷共存都有利于ZnO光催化性能的提高。     

过渡金属离子(Mn,Fe,Co)掺杂铝酸锂晶体的生长及光谱分析

采用提拉法分别生长了掺杂Mn、Fe以及Co元素的LiAlO2晶体,并对其结晶质量和光谱特性进行了研究.结果表明,LiAlO2:Mn、LiAlO2:Fe和LiAlO2:Co晶体的X射线双晶摇摆曲线半高宽分别为23.2 arcsec、12.9 arcsec和23.8 arcsec.LiAlO2:Mn与LiAlO2:Fe晶体在可见至近红外波段具有较高的透过率,而LiAlO2:Co晶体在500～700 nm波段存在吸收带;光致激发与发射光谱表明Mn2+在LiAlO2:Mn晶体中处于四面体晶体场内,而Fe3+替代Li+处于八面体格位;X射线激发发射光谱分析得出空气退火后γ-LiAlO2晶体出现了较强的缺陷发光,可归结为Li2O挥发后形成的F+心,而在同样退火条件下掺杂LiAlO2晶体中相应的缺陷发光不明显,说明Li2O的挥发被抑制,晶体的热稳定性得到了改善.     

Nd、N掺杂和Nd/N共掺杂锐钛矿相TiO2电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理研究了 N掺杂, Nd掺杂,和Nd/N共掺杂对锐钛矿相TiO2晶格参数、能带结构、电荷布居、电子态密度和光吸收性质的影响.结果表明,杂质的引入不同程度的改变了TiO2的晶格参数,Nd的掺杂使TiO6八面体畸变最大;N掺杂TiO2使带隙宽度减小,且在价带顶出现杂质能级;Nd掺杂和Nd/N共掺杂不仅使TiO2带隙宽度减小并在其价带和导带之间出现了空带,空带主要由Nd原子的4f轨道能级所贡献;由于禁带宽度的减小和杂质能级的出现使得掺杂后TiO2的吸收光谱的吸收边向可见光方向移动,增加了物质对光吸收的响应范围.     

SnO2掺杂对(Ba0.85Ca0.15)(Ti0.9Zr0.1-xSnx)O3无铅压电陶瓷介电弛豫与电性能的影响

采用固相烧结法制备了(Ba0.85Ca0.15)(Ti09Zr0.1-xSnx) O3(BCZTS)无铅压电陶瓷.研究了不同含量SnO2(x=0,0.02,0.04,0.06,0.08)对BCZT无铅压电陶瓷相结构、压电性能、介电性能和铁电性能的影响,并利用XRD、SEM、准静态d33测试仪等表征样品.结果表明,所有样品均为单一钙钛矿结构.当掺杂x=0.02时,(Ba0.ss Ca0.1s)(Ti0.9 Zr0.1-xSnx) O3无铅压电陶瓷材料的综合性能优异:d33 =553 pC/N,kp=49;,εr～ 7474(l kHz),tanδ～1.5; (lkHz),Pr=6.06 μC/cm2,Ec=2 kV/cm,利用Curie-Weiss定律对该实验结果进行拟合,发现x=0.02的样品的介电弛豫特征更为明显.     

(Ti/ZnO)N成分调制纳米多层膜的结构与透光导电性研究

采用射频(RF)和单极中频直流脉冲磁控溅射方法,在玻璃基板上制备了(Ti/ZnO)N成分调制纳米多层膜,并研究了调制周期数对其结构及透光导电性能的影响.通过X射线衍射、拉曼光谱、原子力显微镜、紫外可见吸收光谱以及霍尔效应测试结果表明:(Ti/ZnO)N成分调制纳米多层膜以(002)取向的纤锌矿型ZnO结构为主,具有明确...     

应变对Mo2C(001)表面电子结构及光学性质的影响

采用第一性原理方法研究应变对Mo₂C(001)表面电子结构及光学性质的影响。研究表明,在应变作用下Mo₂C(001)表面均为间接带隙半导体,带隙随着压应变和拉应变的增加而减小。当应变为-20%时,Mo₂C(001)表面由间接带隙半导体转变为金属性质。当应变为-20%、-15%、-10%、-5%、0%、5%、10%、15%、20%时,其带隙分别为0 eV、0.162 eV、0.376 eV、0.574 eV、0.696 eV、0.708 eV、0.604 eV、0.437 eV、0.309 eV。带隙变化的原因主要是Mo 4p、4d、5s态电子和C 3p态电子对应变敏感,在应变作用下受激发,活性增强导致价带顶在布里渊区G、A、L、M点之间变化,导带底在K、H点之间变化;当应变由-15%逐渐变化到20%时,吸收谱的第一峰逐渐减弱,并且第一峰对应的光电子能量减小,吸收带边向低能方向移动,表明光吸收随着压应变增大而增加,吸收带边随着拉应变增加向低能方向移动。其他光学性质表现出类似的变化规律,光学性质计算结果表明应变能够有效调节光吸收特性,增强光学利用率,研究结果为Mo₂C(001)作为新型光电子材料的应用提供理论支撑。