Li掺杂对MgH2(001)表面H2分子扩散释放影响的第一性原理研究

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理分别研究了MgH₂(001)表面H原子扩散形成H₂分子释放出去的可能路径及金属Li原子掺杂对其影响. 研究结果表明: 干净MgH₂(001)表面第一层释放H原子形成H₂分子有两种可能路径, 其释放能垒分别为2.29和2.50 eV; 当将Li原子替代Mg原子时, 两种H原子扩散释放路径的能垒分别降到了0.31和0.22 eV, 由此表明Li原子掺杂使MgH₂(001)表面H原子扩散形成H₂释放更加容易.     

掺杂Si/SiO_2界面电子结构与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方法,在局域密度近似(LDA)下研究了B掺杂Si/SiO_2界面及其在压强作用下的电子结构和光学性质.能带的计算结果表明:掺杂前后Si/SiO_2界面均属于直隙半导体材料,但掺B后界面带隙由0. 74 eV减小为0. 57 eV,说明掺B使材料的金属性增强;对B掺杂Si/SiO_2界面施加正压强,发现随着压强不断增大,Si/SiO_2界面的带隙呈现了逐渐减小的趋势,并且由直隙逐渐转变为间隙.光学性质的计算结果表明:掺B对Si/SiO_2界面在低能区(即红外区)的介电函数虚部、吸收系数、折射率以及反射率等光学参数有显著影响,且在红外区出现新的吸收峰;对B掺杂Si/SiO_2界面施加正压强,随着压强增大,红外区的吸收峰逐渐消失,而在紫外区出现了吸收峰.上述结果表明,对Si/SiO_2界面掺B及施加正压强均可调控Si/SiO_2界面的电子结构与光学性质.本文的研究为基于Si/SiO_2界面的光电器件研究与设计提供一定的理论参考.     

第一性原理计算Mo浓度对Mo掺杂BiVO4光催化性能的影响

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理研究了不同浓度的Mo掺杂BiVO₄的V位的电子结构、光学性质和光催化性能.缺陷形成能的计算结果说明BiMo_xV_1-xO₄(x=0.0625, 0.125, 0.25)三种掺杂体系都是可以稳定存在的.电子结构计算结果表明：BiMo_xV_1-xO₄(x=0, 0.0625, 0.125, 0.25)四种体系的带隙分别为2.123 eV,2.142 eV,2.160 eV和2.213 eV.掺杂BiVO₄体系的带隙值均大于本征BiVO₄,且带隙随着Mo浓度的增加而增大. BiMo_xV_1-xO₄(x=0.0625, 0.125, 0.25)三种掺杂体系的能带结构全部向低能量区域移动,导致掺杂体系导带底越过费米能级,Mo掺杂BiVO₄后具...     

Cr和W掺杂的单层MoS2电子结构的第一性原理研究

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波赝势方法, 研究了Cr和W掺杂对单层二硫化钼(MoS₂)晶体的电子结构性质的影响. 计算结果表明: 当掺杂浓度较高时, W对MoS₂的能带结构几乎没有影响, 而Cr的掺杂则影响很大, 表现为能带由直接带隙变为间接带隙, 且禁带宽度减小. 通过进一步分析, 得出应力的产生是导致Cr掺杂的MoS₂电子结构变化的最直接的原因.     

掺杂石墨烯改善环氧树脂机械性能和抗腐蚀性能的机理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了本征石墨烯和掺杂石墨烯对环氧树脂的吸附行为.主要研究了四种石墨烯:本征石墨烯(P-graphene)、B掺杂的石墨烯(B-graphene)、N掺杂的石墨烯(N-graphene)和O掺杂的石墨烯(O-graphene).结果表明,O掺杂有利于降低石墨烯对环氧树脂的吸附能.从电子结构上看,O掺杂的石墨烯与环氧树脂发生轨道杂化,且二者的电荷密度明显重叠,说明O掺杂的石墨烯与环氧树脂的相容性好.因此,在环氧树脂涂层中加入O掺杂的石墨烯有望成为一种提高环氧树脂涂层机械性能和抗腐蚀性能的方法 .     

V/Pd界面氢吸附扩散行为的第一性原理研究

采用钒/钯(V/Pd)金属复合膜渗氢是从混合气体中分离氢气的一种有效实用方法.为深入地了解催化Pd层与金属膜结合处的界面结构与吸氢/渗氢特性的关联性,进而提升合金膜提纯氢气的能力,本文采用基于密度泛函理论的第一性原理研究了V/Pd金属复合膜界面的氢吸附/扩散行为.研究结果表明:由于V/Pd界面的电荷密度随着V/Pd成键而增加,导致氢原子(H)溶解能随着接近界面而增大,在V/Pd界面附近具有最高的溶解能(0.567 eV).氢迁移能垒计算表明,与H沿V/Pd界面水平扩散的最大能垒(0.64 eV)相比,H垂直V/Pd界面能垒(0.56 eV)更小,因而H倾向于垂直V/Pd界面进行迁移,并由Pd层扩散到V基体一侧,因V/Pd界面处Pd层的氢溶解能(0.238 eV)高于V膜侧(-0.165 eV),H将在界面的V膜侧积累,易引起氢脆.V基体掺杂Pd/Fe的计算表明,与未掺杂的能垒(0.56 eV)相比,掺杂Pd/Fe可明显地降低界面扩散路径中的最大能垒(0.45 eV/0.54 eV),利于氢的渗透扩散,且掺杂界面能一定程度抑制V和催化Pd层的相互扩散,提高复合膜的结构稳定性.     

P掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理对不同P掺杂形式(P替位Ti, P替位O, 间隙P)的锐钛矿相TiO₂的晶格常数、电荷布居、能带结构、分态密度和吸收光谱进行了计算. 结果表明, P替位Ti时, TiO₂体积减小, P替位O和间隙P的存在使TiO₂的体积膨胀; 替位Ti的P和间隙P均有不同程度的氧化, 而替位O的P带有负电荷. 三种P掺杂形式均导致锐钛矿相TiO₂禁带宽度的增大, 并在TiO₂禁带之内引入了掺杂局域能级. P掺杂导致TiO₂禁带宽度增大的程度依次为: 间隙P>P替位Ti>P替位O. 吸收光谱的计算结果表明, P替位Ti并不能增强TiO₂的可见光吸收能力, 但间隙P的存在大幅提高了TiO₂的可见光光吸收能力, 间隙P有可能是造成实验上P掺杂增强锐钛矿相TiO₂光催化活性的重要原因. 关键词： P掺杂 2')" href="#">锐钛矿相TiO₂ 第一性原理     

第一性原理研究3C-SiC/Mg复合材料界面的电子结构

基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法对4种3C-SiC(111)/Mg(0001)界面模型进行研究.界面间距和粘附功的计算表明,结构优化之后的界面模型只在z轴方向发生了移动,界面间距发生了不同程度的缩短;中心型模型的稳定性强于顶位型模型,C终端结构的稳定性强于Si终端结构,中心型C终端的界面模型具有最大的粘附功(2.5834 J/m~2)和最小的界面间距(1.7193?),是4种模型中最稳定的结构. Mulliken电荷、电荷密度分布、差分电荷密度和态密度的计算表明,中心性结构的Si终端和C终端模型界面处存在共价键、离子键和金属键.     

γ-Fe中氢扩散行为的第一性原理研究

不锈钢中氢脆问题一直是研究者们关注热点,然而至今为止,对于钢中合金元素及空位与H原子之间的作用机理依然不清晰.采用第一性原理方法研究了H原子在不同体系下γ-Fe(Fe₈H、Fe₇Cr/MoH、Fe₇H)的扩散激活能、扩散系数以及扩散过渡态,对比了H原子在不同体系γ-Fe中的扩散难易程度,并从电子结构层次解释其相互作用.研究结果表明,空位的存在会改变H原子在γ-Fe中的扩散路径.在含空位的晶胞中H原子稳定存在于空位附近的近四面体间隙中,并沿空位附近的四面体间隙或八面体到四面体间隙路径扩散. γ-Fe中空位对H原子的影响是局域性的,一方面是捕获H原子的陷阱;另一方面降低了H原子的扩散激活能,促进H原子的扩散.而Cr/Mo的掺杂会降低空位对H原子的束缚,也会抑制H原子的扩散.     

氧原子在α钛晶体中扩散的第一性原理研究

在材料领域杂质原子的迁移是一个基础而永恒的主题.采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了氧原子在α钛(α-Ti)晶体中的间隙占位情况,并计算了氧原子稳定占位点间隙能、电子态密度、电荷差分密度及其邻近钛原子的位移情况.采用基于过渡态搜索理论的CI-NEB(climbing image nudged elastic band)方法预测了稳定态氧原子在α-Ti晶体中的扩散路径、扩散势垒及相应的跳转频率,并由此推算出氧原子在不同位点之间跳转的扩散系数.研究结果表明,间隙氧原子在六角密排钛晶体结构中共有七种占位,但仅存在三个可稳定占据的间隙位点:八面体中心位点、六面体中心位点及0.28 nm钛—钛键中心位点.各稳定间隙位点之间的扩散具有不对称性,因此可确定三种稳定间隙氧原子位点间存在七条独立扩散路径.获取计算不同路径扩散系数所需要的微观参数,包括扩散势垒、扩散长度、不同扩散路径上鞍点氧原子的跳转频率,最终预测了不同间隙位点之间氧原子的扩散系数值,其中八面体中心扩散到邻近键位的扩散系数与实验值相符合.通过对间隙氧原子扩散行为的深入了解,希望能对控制钛合金中氧的扩散、提高钛金属中氧的含量及相关研究提供基础理论支持.     

B对Mo等元素在奥氏体钢/Cr2O3界面占位倾向影响的理论研究

超级奥氏体不锈钢中因含有更高铬、钼含量,具有极高的耐点蚀、晶间腐蚀性能,这与Mo等合金元素对钝化膜结构的影响密切相关,尤其含硼超奥钢钝化层表面Cr、Mo含量明显增加,但其原子层次的微观作用机制尚不清楚.本文采用第一性原理方法,研究了置换原子(Mo、Mn、Ni、Si),及间隙原子B在fcc-Fe/Cr₂O₃界面占位倾向,并分析了可稳定存在于界面B对这些元素偏析倾向的影响.结果表明:Mo、Mn、Ni、Si、B均可与fcc-Fe/Cr₂O₃界面结构体系形成稳定结构;Mo、Ni倾向分布于界面基体侧,Mo有向氧化层扩散的趋势,B处于fcc-Fe/Cr₂O₃界面基体侧更稳定,Mn、Si易分布于氧化层中;存在于界面B对四种元素在fcc-Fe/Cr₂O₃界面体系中的占位影响不同,有利于Mn、Mo偏析于界面基体侧,但抑制Mo向界面基体侧的偏析程度,使得Si、Ni更均匀的分布于基体. Mo等合金元素分布于界面时的态密度来看,界面处M...     

第一性原理研究Ni、V、Zr、N、P、S单掺杂及其共掺杂锐钛矿物相TiO_2的电子结构和吸收光谱

采用基于密度泛函理论(density functional theory,DFT)的Castep(MS 5.5)软件包进行计算,计算方法为广义梯度近似(generalized gradient approximation,GGA)下的Predew-Burke-Ernzerhof交换关联泛函和投影缀加平面波方法,构建2×2×1锐钛矿相二氧化钛单掺杂Ni、V、Zr、W等金属原子及N、P、S等非金属原子的晶胞模型,对掺杂锐钛矿相二氧化钛的能带结构、态密度和吸收光谱进行了计算.计算结果表明:Ni、V、Zr、W、P、N、S单掺杂二氧化钛的带隙宽度,除了W元素,其它掺杂元素都使带隙变窄,吸收光谱发生一定程度的红移.同时计算结果也表明,在金属和非金属共掺杂的作用下,由于共掺杂元素的引入,均使得带隙降低,其中P-V和S-Ni共掺杂的带隙最小,光学性质显示S-Ni共掺杂吸收边带最宽,对可见光的利用率最高,理论上S-Ni共掺杂锐钛矿二氧化钛具有良好的光致阴极保护效果.     

稀土(La/Ce/Pr/Nd)掺杂锐钛矿相TiO_2磁性及光催化活性的第一性原理研究

采用密度泛函理论下的平面波赝势方法,建立了未掺杂锐钛矿TiO_2和La/Ce/Pr/Nd单掺杂的锐钛矿TiO_2模型.几何优化后,通过计算形成能分析了掺杂结构的稳定性;通过自旋电子态密度的计算分析了各个掺杂模型的磁性状态,并采用比较磁性基态能量的方法对分析结果加以验证;讨论了各稀土元素掺杂对锐钛矿能带结构和吸收光谱的影响.结果表明:La/Pr掺杂的锐钛矿TiO_2具有亚铁磁性,Nd掺杂的锐钛矿具有反铁磁性,Ce掺杂锐钛矿为顺磁体;Ce掺杂对锐钛矿能带结构影响较小,吸收光谱红移不明显,而La/Nd掺杂则能有效提升锐钛矿对可见光的吸收系数,Pr掺杂能使锐钛矿TiO_2在红外光区出现吸收峰.     

过渡金属元素X（X=Mo，Tc，Ru）掺杂单层GaS的第一性原理研究

近年来,二维GaS由于其优异的性质引起了科研人员的关注.基于密度泛函理论计算了过渡金属元素X(X=Mo, Tc, Ru)掺杂单层二维GaS的电子结构、磁性性质及光学性质.计算结果表明：单层GaS材料为间接带隙的非磁性半导体,在对S位点进行替位式掺杂后,Ga-rich和S-rich条件的形成能均为正数,导致过渡金属元素Mo、Tc和Ru不能自发地进入进入单层GaS材料中.所有掺杂体系都引入了杂质能级,杂质能级主要由掺杂原子的4d轨道贡献.掺杂后所有体系的带隙都有所减小,上自旋和下自旋的能带结构不再对称,使得Mo掺杂体系呈现半金属铁磁性,Tc和Ru掺杂体系呈磁性半导体特性,Mo、Tc和Ru掺杂后的总磁矩分别为4μ_B, 3μ_B和2μ_B,磁矩主要由掺杂原子的局域磁矩产生.掺杂后单层GaS的静介电常数得到提高,吸收谱出现红移,在可见光区和近红外区的吸收系数变大,对可见光的利用率增强.     

B、N、S掺杂石墨烯表面质子吸附的第一性原理研究

表面吸附是石墨烯中质子(H~+)输运的基础步骤.本文基于第一性原理计算研究了B、N、S掺杂对石墨烯表面H~+吸附行为的影响.结果表明,B、N、S掺杂对石墨烯的晶体结构、内聚能及电子性质有重要影响,且影响程度与掺杂元素的性质密切相关,进而导致对石墨烯表面H~+吸附行为产生不同程度的影响.从吸附能的观点看,N、B、S掺杂对石墨烯表面H~+的吸附有利.研究结果对石墨烯在氢贮存、氢同位素分离、燃料电池等领域的应用具有重要的指导意义.     

C掺杂金红石相TiO2的电子结构和光学性质的第一性原理研究

运用第一性原理的局域密度近似+U(0 ≤U≤9 eV)方法研究了本征金红石相TiO₂在不同U值(对Ti-3d电子)下的禁带宽度、晶体结构以及不同比例C元素掺杂的金红石相TiO₂的电子结构和光学性质, 研究表明, TiO₂的禁带宽度和晶格常数随着U值的增加而增大. 综合考虑取U=3 eV并对其计算结果进行修正. 对于掺杂体系, 发现C 元素的掺杂在金红石相TiO₂中引入杂质能级, 杂质能级主要由O-2p轨道和C-2p轨道耦合形成, 杂质能级的引入可以增加TiO₂对可见光的响应, 从而使TiO₂的吸收范围增大. C原子掺杂最佳比例为8.3%, 此时光学吸收边的红移程度最明显, 可增大光吸收效率, 从而提高了TiO₂光催化效率.     

B、N掺杂对钠在石墨烯上吸附性能的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了本征石墨烯及缺陷石墨烯对Na原子的吸附行为。主要研究了三种石墨烯：本征石墨烯、B掺杂的石墨烯和N掺杂的石墨烯。结果表明,与本征石墨烯相比,B掺杂的石墨烯和N掺杂的石墨烯在吸附能、电荷密度、态密度和储钠量方面表现出很大的差异。B掺杂的石墨烯对Na原子的吸附能是-1.93 eV,约为本征石墨烯对Na原子吸附能的2.7倍;与本征石墨烯相比,N掺杂的石墨烯对Na原子的吸附能明显增大。态密度计算结果表明,Na原子与B掺杂的石墨烯中的B原子发生轨道杂化,而本征石墨烯和N掺杂的石墨烯中不存在轨道杂化现象。B掺杂的石墨烯对Na原子的吸附量是3个,与本征石墨烯相比显著提高。因此,B掺杂的石墨烯有望成为一种新型的储钠材料。     

B、N掺杂对钠在石墨烯上吸附性能的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了本征石墨烯及缺陷石墨烯对Na原子的吸附行为.主要研究了三种石墨烯:本征石墨烯、B掺杂的石墨烯和N掺杂的石墨烯.结果表明,与本征石墨烯相比,B掺杂的石墨烯和N掺杂的石墨烯在吸附能、电荷密度、态密度和储钠量方面表现出很大的差异.B掺杂的石墨烯对Na原子的吸附能是-1.93 e V,约为本征石墨烯对Na原子吸附能的2.7倍;与本征石墨烯相比,N掺杂的石墨烯对Na原子的吸附能明显增大.态密度计算结果表明,Na原子与B掺杂的石墨烯中的B原子发生轨道杂化,而本征石墨烯和N掺杂的石墨烯中不存在轨道杂化现象.B掺杂的石墨烯对Na原子的吸附量是3个,与本征石墨烯相比显著提高.因此,B掺杂的石墨烯有望成为一种新型的储钠材料.     

α-Fe和γ-Fe中氢扩散行为的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了α-Fe和γ-Fe中氢扩散行为,建立了两相的H原子扩散系数与温度的关系式,对比了H原子在两相中扩散的难易程度,并结合2205双相不锈钢的氢致开裂试验对计算结果进行了实验验证.研究结果表明:H原子在α-Fe中所需扩散激活能较γ-Fe低,其容易在α-Fe的缺陷处聚集,并最终造成氢致开裂等严重后果;而2205双相不锈钢的HIC实验表明,裂纹在铁素体相中表现为穿晶型开裂,并且在传播过程中由于受到奥氏体相的阻碍,裂纹沿两相界面发展,表现出混合型开裂方式;综上所述,铁素体相更容易产生氢致裂纹,这进一步证实了本文计算结果的可靠性.     

Co掺杂BiFeO3的第一性原理研究

采用密度泛函理论结合投影缀加波（PAW）方法,研究了具有钙钛矿结构的BiFeO₃材料及对BiFeO₃进行B位Co元素替代掺杂得到的BiFe_075Co_025O₃材料的磁结构、电子结构、能带结构.结果表明：Co的掺入不破坏原有的钙钛矿结构,对材料铁电性影响不大;掺杂导致原有的G型反铁磁序发生变化,形成了亚铁磁序的磁结构,材料的铁磁性有了很大提高;然而,Co杂质的掺入使材料的绝缘性有所减弱. 关键词： 第一性原理计算 3')" href="#">Co掺杂BiFeO₃ 铁磁性