第一性原理研究气体小分子吸附的石墨烯负载金属原子体系

石墨烯负载的单个金属原子体系(M-gra)具有高的结构稳定性,显正电性的金属原子可作为活性位用在气敏器件和催化材料.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究单个有毒气体小分子(NO和CO)在M-gra表面的吸附特性.研究结果表明:单个NO分子吸附的稳定性高于CO分子,由于其能够从反应衬底获得更多的转移电荷,因此,M-gra衬底对NO分子表现出高的灵敏度.此外,不同小分子吸附能够改变M-gra体系的电荷密度和自旋电荷分布,进而使得气体分子吸附体系表现出不同大小的磁矩.通过对比气体分子吸附前后M-gra体系的磁矩变化,能够有效判断吸附分子和反应衬底的类型.     

基于第一性原理的新型非线性光学晶体探索

非线性光学晶体能对常见波段的激光进行频率转换,从而获得宽波段、可调谐的激光光源.此类光电功能材料在军事和民用领域具有重要的战略价值和应用价值.经过30多年的发展,应用于可见光及邻近波段的非线性光学晶体技术已经基本成熟,但深紫外和中远红外波段的非线性光学晶体技术的发展仍存在诸多不足,还需要在这些波段进行新型优质的非线性光学晶体探索.近年来,为了改变传统低效的"炒菜式"实验探索,加快新材料研发速度,基于密度泛函理论的第一性原理计算方法在新型非线性光学晶体探索中得到了广泛的应用.本文总结了近几年深紫外和中红外波段非线性光学晶体的新进展,通过介绍几种新型非线性光学晶体材料的研发过程,突出了第一性原理计算在新材料探索过程中起到的关键作用;探讨了非线性光学晶体研发的研究难点与趋势,以及第一性原理方法在未来新材料探索中的重点攻关方向.     

LiNH2 的晶格动力学、介电性质和热力学性质第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波赝势方法,在局域密度近似下采用线性响应的密度泛函微扰理论计算了LiNH₂的晶格动力学、介电性质和热力学性质,得到了布里渊区高对称方向上的声子色散曲线和相应的声子态密度,分析了 LiNH₂的红外和拉曼活性声子频率,同时给出它的介电张量和玻恩有效电荷张量. 研究表明,LiNH₂存在小的各向异性,计算所得结果与实验值和其他理论值符合较好.最后,利用得到的声子态密度进一步预测了LiNH₂的热力学性质 关键词： 密度泛函理论 晶格动力学 热力学性质 第一性原理计算     

MnPd合金相变，弹性和热力学性质的第一性原理研究

运用基于密度泛函理论第一性原理方法研究了MnPd从立方顺磁到四方反铁磁的相变以及其弹性性质和热力学性质等．结果表明：MnPd合金顺磁立方B2结构在施加了四方应变后,结构不稳定,会发生结构相变形成四方顺磁结构．四方顺磁相弹性稳定,然而在考虑了磁性后,反铁磁四方相比四方顺磁相能量更低,而且弹性和动力学都稳定,说明反铁磁四方相是MnPd的低温结构．从而得出MnPd合金的相变路径为两步：先发生结构相变从顺磁B2立方结构转变为顺磁四方相,再由磁性诱发相变形成反铁磁四方结构．通过准谐近似得到了摩尔比热容,德拜温度等热力学性质．     

第一性原理研究氧空位对Ag在MgO(001)面吸附的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理研究方法,应用Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP),计算了氧空位对Ag原子在MgO(001)面吸附的影响．通过成键过程中电荷密度的变化以及电荷转移的讨论,从原子尺度上分析了MgO(001)面空位点Fs和Fs+对其吸附、聚集与成核属性的影响以及吸附的能量属性.结果表明,相对清洁的MgO表面而言,Ag原子吸附在O空位时,能够更牢固地与MgO表面结合,并吸引更多的Ag原子聚集在一起,形成一个个独立的Ag原子岛.     

第一性原理软件北京原子技术模拟工具包的重构进展

基于第一性原理的理论方法的研究,代表了材料计算、分子模拟等领域的科学高地,相应的第一性原理计算软件直接关系到该领域相关理论、算法的积累.本文汇报了我们在重构第一性原理计算模拟软件—北京原子技术模拟工具包(BSTATE)的一些最新进展.重构的核心思想是降低用户使用门槛、扩展软件适用范围、增加软件对于流行计算框架的支持.基于此思路,在BSTATE原有Makefile编译系统的基础上添加了CMake编译环境,并支持各种数学函数库的自动和交互式配置;通过在原有内置泛函基础上增添Libxc泛函库的支持,使BSTATE支持的泛函数量有了数量级上的增长;分析测试BSTATE在集群的并行特点,并以更新数学库接口(FFTW3、Cufftw)的形式提供对于流行异构框架的初步支持.     

基于第一性原理量子输运模拟的并行计算

为了解决基于第一性原理分析计算大尺度量子输运体系时遇到的耗时长久问题,挖掘密度泛函理论与非平衡格林函数相结合方法(DFT+NEGF方法)在自洽迭代过程中的计算热点,就计算电子密度矩阵时的能量点积分和计算格林函数时的矩阵求逆/乘法运算提出MPI/Open MP并行计算方案.能量点积分采用MPI多进程并行方案,在数据初始化时需要将稀疏矩阵和积分能量点依照轮询调度算法分配给各进程.矩阵求逆/乘法的并行化既可调用ScaLAPACK子程序实现又可调用IntelMKL数学库中的OpenMP多线程加速函数实现.由于不同能量点计算的独立性,能量点积分采用的MPI并行计算获得近乎线性的加速比曲线.由于Open MP多线程并行采用的是基于共享内存的数据交换机制以及线程间切换通信开销小,矩阵求逆/乘法运算的OpenMP并行实现在计算效率上要优于而在程序的可扩展性上要劣于MPI多进程并行实现.     

RuH2和RuN2分子热力学稳定性的理论研究

用密度泛函B3LYP方法计算了RuH2和RuN2分子的结构和不同温度下的热力学函数及生成反应的标准焓变△H°、标准熵变△S°和标准自由能变△G°.结果表明,温度低于698.15 K时固态RuH2具有热力学稳定性,温度低于398.15 K时固态RuN2具有热力学稳定性.     

金刚石氮-空位色心的原子自旋声子耦合机理

金刚石氮-空位色心结构因在量子精密测量领域的高灵敏度优势而备受关注.本文引入耦合声子场对氮-空位色心原子自旋进行共振调控,以提高氮-空位色心的自旋跃迁效率.首先,基于波函数和晶格的点阵位移矢量关系,分析了声子与晶格能量交互作用,研究了基于声子共振调控的氮-空位色心的自旋跃迁机理,建立了基于应变诱导的能量转移声子-自旋交互耦合激发模型.其次,基于氮-空位色心晶格振动理论,引入满足布洛赫定理的系数矩阵,建立了不同轴向氮-空位色心第一布里渊区特征区域的声子谱模型.同时,基于德拜模型,考虑热膨胀效应,解析该声子共振系统的声子热平衡性质,并对其比热模型进行研究.最后,基于分子动力学仿真软件CASTEP和密度泛函理论进行第一性原理研究,构建了声子模式下不同轴向氮-空位色心的结构优化模型,并分析了其结构特性、声子特性和热力学特性.研究结果表明,系统声子模式的演化依赖于氮-空位的占位,声子模式强化伴随着热力学熵的降低.含氮-空位色心金刚石的共价键较纯净无缺陷金刚石更弱,热力学性质更不稳定.含氮-空位色心金刚石的声子主共振频段处于THz量级,次共振频率约为[800,1200]MHz.根据次共振频段设计叉指宽度为1.5μm的声表面波共振机构,其中心频率约为930 MHz.在该声子共振调控参数条件下,声子共振调控方法可有效增大氮-空位色心的自旋跃迁概率,实现氮-空位色心原子自旋操控效率的提高.     

原子核结构的相对论第一性原理研究

过去几十年中,原子核物理的相对论密度泛函理论得到很大发展,可以成功地描述各种原子核现象。文章阐述在相对论框架下研究原子核多体问题的必要性,介绍原子核物理中相对论密度泛函理论的基本概念,回顾相对论密度泛函理论在描述原子核基态、手征转动和动力学过程等方面的应用,讨论基于原子核物理的相对论第一性原理研究,即完全自洽的相对论Brueckner—Hartree—Fock理论,构建微观普适的密度泛函的基本思想。     

Ab initio modelling of the interaction of H interstitials with grain boundaries in bcc Fe

Hydrogen that is accumulated within the grain boundaries can lead to a decrease of the critical strain required to fracture the material. The paper presents results of ab initio modelling of hydrogen–grain boundary interaction in ferromagnetic bcc iron. Modelling was performed using density functional theory with generalised gradient approximation (GGA’96), as implemented in WIEN2k package. Three fully relaxed tilt grain boundaries, Σ5(310), Σ5(210) and Σ3(111), were studied. The supercells contained 40–48 atoms, i.e. 20–24 atoms in each of the two ‘grains’. Calculated formation energies of grain boundaries is 1.44, 1.83 and 1.46 J/m² and the maximum binding (trapping) energies of hydrogen to the boundaries are 0.43, 0.83 and 0.39 eV, respectively. These values are close to other researchers’ data. The higher value of trapping energy of the Σ5(210) boundary is probably due to the asymmetrical atom configurations resulting from mutual rigid shift of the two grains that was necessary to be introduced to provide optimal distances between Fe atoms, unlike the other two boundary types.     

Dynamical and structural properties of adsorbed water molecules at the TiO2 rutile-(110) surface: interfacial hydrogen bonding probed by ab-initio molecular dynamics

ABSTRACT

Ab-initio molecular dynamics (AIMD) simulations have been carried out to study a range of different and energetically-accessible adsorbed-water configurations and motifs for their vibrational and structural characteristics, in contact with rutile-(110) interfaces at 100?K. The radial pair distribution function between the titanium atoms at the interface and the hydrogen and oxygen atoms in the water monolayer show an orientation of the water molecules parallel to the surface of titania, and with hydrogen atoms pointed in the opposite direction to the surface. In some cases, a distinctive vibrational frequency region between 2500 and 3000?cm^?1 has also been observed, due to a strong dispersion interaction between water molecules. This behaviour is also seen in experimental studies of thin-film water coverage on TiO₂ surfaces.     

锑烯吸附金属Li原子的密度泛函研究

锑烯(antimonene)是继石墨烯和磷烯之后出现的新型二维材料,在锂离子电池等领域受到关注.本文基于第一性原理的密度泛函理论,计算研究了锑烯对Li原子的吸附特性,包括Li原子的最稳定吸附构型、吸附密度以及吸附Li原子的扩散路径.结果表明:Li原子最稳定的吸附位置位于谷位,即底层Sb原子之上、顶层三个Sb原子中心位置,吸附能为1.69 eV,吸附距离为2.81?;能带计算发现,锑烯为带隙宽度1.08 eV的间接带隙半导体,吸附Li原子后费米能级上升进入导带,呈现出金属性;原子分波态密度分析发现, Sb原子的p电子态和Li原子的p和s电子态形成明显的共振交叠,表现出杂化成键的特征;随着吸附Li原子数量增加,锑烯晶格结构和电子结构发生较大变化.通过微动弹性带方法计算发现, Li原子在锑烯表面的扩散势垒为0.07 eV,较小的势垒高度有利于快速充放电过程.     

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.     

DFT study of hydrogen storage in Pd-decorated C60 fullerene

Hydrogen storage reactions on Pd-doped C₆₀ fullerene are investigated by using the state-of-the-art density functional theory calculations. The Pd atom prefers to bind at the bridge site between two hexagonal rings, and can bind up to four hydrogen molecules with average adsorption energies of 0.61, 0.45, 0.32, and 0.21 eV per hydrogen molecule. With no metal clustering, the system gravimetric capacities are expected to be as large as 5.8 wt%. While the desorption activation barriers of the complexes nH₂ + Pd–C₆₀ with n = 1 are outside the department of energy (DOE) domain (?0.2 to ?0.6 eV), the desorption activation barriers of the complexes nH₂ + Pd–C₆₀ with n = 2–4 are inside this domain. While the interaction of 1H₂ with Pd + C₆₀ is irreversible at 459 K, the interaction of 2H₂ with Pd + C₆₀ is reversible at 529 K. The hydrogen storage of the irreversible 1H₂ + Pd–C₆₀ and reversible 2H₂ + Pd–C₆₀ interactions are characterised in terms of densities of states, infrared, Raman, and proton magnetic resonance spectra, electrophilicity, and statistical thermodynamic stability.     

Effect of metal catalyst on the mechanism of hydrogen spillover in three-dimensional covalent-organic frameworks

Hydrogen spillover mechanism of metal-supported covalent-organic frameworks COF-105 is investigated by means of the density functional theory, and the effects of metal catalysts M_4(Pt_4, Pd_4, and Ni_4) on the whole spillover process are systematically analyzed. These three metal catalysts exhibit several similar phenomena:(i) they prefer to deposit on the tetra(_4-dihydroxyborylphenyl) silane(TBPS) cluster with surface-contacted configuration;(ii) only the H atoms at the bridge site can migrate to 2,3,6,7,10,11-hexahydroxy triphenylene(HHTP) and TBPS surfaces, and the migration process is an endothermic reaction and not stable;(iii) the introduction of M_4 catalyst can greatly reduce the diffusion energy barrier of H atoms, which makes it easier for the H atoms to diffuse on the substrate surface. Differently, all of the H2 molecules spontaneously dissociate into H atoms onto Pt_4 and Pd_4clusters. However, the adsorbed H2 molecules on Ni_4 cluster show two types of adsorption states: one activated state with stretched H–H bond length of 0.88 ?A via the Kubas interaction and five dissociated states with separated hydrogen atoms. Among all the M_4 catalysts, the orders of the binding energy of M_4 deposited on the substrate and average chemisorption energy per H2 molecule are Pt_4Ni_4Pd_4. On the contrary, the orders of the migration and diffusion barriers of H atoms are Pt_4Ni_4Pd_4, which indicates that Pt_4 is the most promising catalyst for the hydrogen spillover with the lowest migration and diffusion energy barriers. However, the migration of H atoms from Pt_4 toward the substrate is still endothermic. Thus direct migration of H atom from metal catalyst toward the substrate is thermodynamically unfavorable.     

分子尺度上水和金属表面的相互作用

虽然水普遍存在,但人们在分子尺度上对水与固体表面的相互作用的理解却仍然处在初始阶段.文章简述了20年来人们对水在贵金属表面的吸附和浸润过程进行微观尺度上研究的进展,分析和讨论了水和表面作用的一般规律和所获得的经验教训,特别着重讨论了对上世纪80年代人们提出的经典双层冰模型的修正.     

分子尺度上水和金属表面的相互作用

虽然水普遍存在,但人们在分子尺度上对水与固体表面的相互作用的理解却仍然处在初始阶段.文章简述了20年来人们对水在贵金属表面的吸附和浸润过程进行微观尺度上研究的进展,分析和讨论了水和表面作用的一般规律和所获得的经验教训,特别着重讨论了对上世纪80年代人们提出的经典双层冰模型的修正.     

金刚石延(111)面生长的第一性原理研究

利用密度泛函理论(DFT)对碳原子在镍(111)表面吸附结构进行了计算，得到了吸附能以及态密度 (density of state, DOS)分布，分析了吸附在镍(111)面的碳原子和金刚石(111)面的碳原子的分波态密度(PDOS)，结果表明吸附在镍表面的碳原子具有与金刚石表面碳原子相类似的电子结构特点，即两者都存在孤对的和成键的sp³杂化电子,进而发现吸附在镍表面的碳原子极易与金刚石表面相互作用形成稳定的类金刚石几何结构. 关键词： 密度泛函理论 化学吸附 电子结构 金刚石生长     

Structural and Thermodynamic Properties of TiAl intermetallics under High Pressure

The structural and thermodynamic properties of TiAl intermetallics under high pressure have been investigated by ab initio plane-wave pseudopotential density functional theory method.It is found that the ratio of lattice parameter c to a keeps almost constant with a value of 1.02 under the pressure from 0 to 20 GPa,which agrees well with the experimental results.With the pressure increasing from 20 to 45 GPa the values of c/a decrease almost linearly from 1.02 to 0.99.These calculated results indicate under low pressure the variation rate for a-axis is almost the same to that for c-axis,but under higher pressure the variation for a-axis is smaller than along c-axis.Through the quasi-harmonic Debye model,the equation of state(EOS) of TiAl intermetallics,as well as the thermal expansion and heat capacity at various pressures and temperatures are also studied.