ZnO 极性表面及其N原子吸附机理的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理赝势法计算了ZnO极性表面的几何结构和电子结构特性,对比分析了ZnO(0001)和ZnO(0001)表面结构弛豫、能带结构、电子态密度及N吸附ZnO极性表面的形成能情况.计算结果表明: 相对于ZnO(0001)表面,ZnO(0001)表面受结构弛豫影响更加明显,而ZnO(0001)表面完整性更好.相对于体相ZnO结构,ZnO(0001)表面的能带带隙变窄,同时价带顶附近能级非局域性增强使晶体表面的导电性能变得更好;而ZnO(0001)表面的能带带隙变宽,由于O^{-关键词： 密度泛函理论 第一性原理 ZnO极性表面 N吸附}     

内嵌镧原子的磁性硅纳米线的第一性原理研究

基于密度泛函理论,系统研究了由两个La@Si_(16)组装而成的高度稳定的管状二聚体La_2@Si_(32)团簇.电子结构分析显示,内嵌La原子诱导的类sp~2杂化对于提高管状Si_(32)的稳定性至关重要.Mülliken布局分析显示,La_2@Si_(32)的总磁矩为2 μ_B,主要来源于两个La原子和第三、第六层的八个Si原子;电荷是由Si原子转移到了La原子上.此外,通过连接一系列La_2@Si_(32)单体而获得了一类组装的硅纳米线La@SiNW,研究结果显示La@SiNW具有金属导电特性,其总磁矩为2 μ_B.上述特征暗示具有磁性的La_2@Si_(32)和La@SiNW可能在自旋电子器件和高密度磁记录材料方面具有潜在的应用前景.     

B36团簇组装一维纳米线的密度泛函研究

采用密度泛函理论计算方法系统研究了B₃₆团簇组装一维纳米线的几何结构、电子结构及稳定性.发现两种不同构型的B₃₆团簇组装纳米线静态结构能量相同,且均为动力学稳定结构,但二者电子结构明显不同:分别呈现出半金属和小带隙半导体特征.对两类纳米线的H原子吸附显示:半金属纳米线转变为半导体,而半导体纳米线仍保持为半导体,但带隙明显增大.表明H原子吸附对于B₃₆团簇组装纳米线的电子结构具有明显的调控作用.     

Rh在CeO_2(111)表面吸附的第一性原理研究

采用基于广义梯度近似的投影缀加平面波(Projector augmented wave)赝势和具有三维周期性边界条件的超晶胞模型,用第一原理计算方法,计算并分析了Rh在CeO_2(111)表面吸附所形成的Rh/CeO_2(111)界面体系的吸附能,价键结构和局域电子结构.考虑了Rh在不同吸附位置的吸附情况.结果表明:1)Rh在CeO_2(111)面有较大的吸附能,表明Rh与CeO_2(111)面有较强的相互作用,而且Rh在位于表面O的三度位,且位于次层氧的顶位的吸附最强;2)Rh的4d态同衬底O的2p态有明显的杂化作用,这是Rh同CeO_2较强作用的主要原因;3)Rh被CeO_2(主要是Rh的次近邻的Ce)氧化为Rh~(3+),并伴随着Ce~(4+)→Ce~(3+)反应的发生.     

GaP（001）表面吸附性硫的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论（Density Functional Theory）的第一性原理计算了GaP（001）面吸附硫原子后的表面结构和电子结构。计算表明,在Ga和P截止的GaP（001）-（1×2）表面吸附两个硫原子后,会形成（1×1）的重构表面,硫原子吸附在桥位置（HB）。电子结构的计算显示,吸附硫原子后,GaP带隙中的表面态密度（Density of States）明显减少了,这表明在GaP（001）表面吸附硫原子后达到了钝化的效果。     

团簇ConAgm (n +m =13)表面吸附C2H4的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,本文对ConAgm(n+m=13)团簇的几何结构进行优化后,研究了C2H4分子在这类团簇的表面吸附行为,讨论了团簇的平均结合能、二阶能量差分、稳定性、DOS以及吸附前后键长的变化情况。结果表明,C2H4在团簇top位的吸附主要为物理吸附,而在face位和bridge位的吸附主要为化学吸附。吸附后,C2H4@Ag13的稳定性高于C2H4@Co13,且在face位吸附时C2H4@Co2Ag11的结构最为稳定。随着Co原子数的增加,团簇中原子间成键能力减弱,而d电子轨道则呈现出较强的相互作用,并导致其向能量相对高处发生转移     

Sc修饰Si@Al_(12)团簇吸附CO的第一性原理研究

本文采用密度泛函理论的广义梯度近似,研究了Sc原子修饰的Si@Al_(12)团簇与CO分子之间的相互作用.结果显示:Sc原子倾向于以穴位的形式吸附于Si@Al_(12)团簇表面;Sc周围最多可以吸附7个完整CO分子,CO的平均吸附能处于0.990~1.602 eV之间;Sc Si@Al_(12)·7CO团簇中CO质量分数可达33.07%,有望作为CO气体过滤材料.     

ConPtm (n+m≤7)团簇吸附CO的第一性原理研究

利用密度泛函理论的广义梯度近似方法,计算了CO与双金属团簇ConPtm (n+m≤7)的相互作用. 结果表明：当n+m≤5时,CO更易于在Co原子的顶部成键. 当5≤n+m≤7时,CO则更易在Pt原子的顶位成键. n+m的值一定时,m的值越大CO越倾向于与Pt原子成键. 磁性分析表明,n+m的值一定时,Co原子数越大,磁矩越大,而Pt原子数越大,CO分子的吸附能越大. CO的吸附能在1.61 eV到3.01 eV之间,其中Pt6∙CO团簇的吸附能最大.     

α-Al2O3(0001)表面原子缺陷对ZnO吸附影响

采用基于密度泛函理论的分子动力学方法，对α-A12O3(0001)表面A1，O原子空位缺陷及其对ZnO吸附进行了理论计算．电子局域函数显示了表面空位处的电子密度变化，表面Al原子空缺处有非常明显的缺电子区域，悬挂键临近O的电子密度增大，有利于对Zn的吸附；O原子空缺处的Al原子处存在孤立电子，其ELF值为0．05-0．3，将有利于同电负性较大的O或O^2-结合．通过吸附动力学模拟与体系能量的计算发现，表面缺陷显著增强了表面的化学吸附，空缺原子处都被吸附原子填补，吸附结合能远大于单晶表面的情况．在Al空缺的表面，由于ZnO的O与表面O形成双键，破坏了α-Al2O3(0001)表面O六角对称结构，减小了O的表面扩散，从而不利于规则的ZnO薄膜生长．相反，O的空缺表面，弥补了α-Al2O3(0001)表面O空位缺陷，不影响基片表面O六角对称结构．     

NH_x(x=1～3)在金属Ir表面吸附与解离的第一性原理研究

采用密度泛函理论,在slab模型下,研究了NH_x(x=1~3)在Ir(100)、Ir(111)和Ir(110)表面上的最稳定吸附位置、几何构型以及逐步脱氢分解过程,计算了相应的吸附能和活化能.计算结果表明,在Ir(100)、Ir(111)面上,NH_3是以C_3轴垂直吸附在顶位,在Ir(110)上,NH_3是以N-Ir键与表面成68.6°吸附在顶位,且吸附能依赖于表面的结构而不同,相比而言,NH_3更容易吸附在开放表面Ir(100)、Ir(110)面上,说明NH_3在这些表面的吸附具有结构敏感性.NH_(x(x=1~3))的分解,在Ir(100),NH_3的吸附与分解存在竞争,在Ir(110)面NH_3最容易分解,在Ir(111)面NH_3是分子性吸附,不能分解.NH_2、NH在三个表面均能够分解,在Ir(110)面活化能均较高.     

In掺杂ZnO电子结构的第一性原理研究

采用第一性原理平面波超软赝势,计算了纤锌矿ZnO和不同掺杂量下In掺杂ZnO晶体的能带结构、态密度和分波态密度.计算表明,In的掺杂导致ZnO禁带宽度变窄.随着掺杂量的增大,In_xZn_1－xO的导带底和价带顶同时下降,但是导带底比价带顶下降得多,这导致了带隙的变窄.此外,In掺杂使晶胞晶格常数增大,这对带隙的变窄也有一定作用.     

Cd掺杂纤锌矿ZnO电子结构的第一性原理研究

采用密度泛函理论结合投影缀加波方法,对掺杂Cd导致ZnO禁带宽度下降的机理进行了研究. 通过对掺杂前后电子能带结构,态密度以及分态密度的计算和比较,发现Cd_xZn_1-xO价带顶端(VBM)始终由O-2p占据;而导带顶端(CBM)则由Cd-5s与Zn-4s杂化轨道控制. 随着掺杂浓度的增加,决定带隙宽度的CBM的位置下降,同时VBM的位置上升,从而导致了带隙的变窄,出现了红移现象. 此外,Cd掺杂会使晶胞发生膨胀,这种张应变也是导致Cd 关键词： 密度泛函理论 电子结构 Cd掺杂ZnO     

Cd掺杂纤锌矿ZnO电子结构的第一性原理研究

采用密度泛函理论结合投影缀加波方法，对掺杂Cd导致ZnO禁带宽度下降的机理进行了研究. 通过对掺杂前后电子能带结构，态密度以及分态密度的计算和比较，发现Cd_xZn_1-xO价带顶端(VBM)始终由O-2p占据；而导带顶端(CBM)则由Cd-5s与Zn-4s杂化轨道控制. 随着掺杂浓度的增加，决定带隙宽度的CBM的位置下降，同时VBM的位置上升，从而导致了带隙的变窄，出现了红移现象. 此外，Cd掺杂会使晶胞发生膨胀，这种张应变也是导致Cd     

第一性原理研究氧在Ni(111)表面上的吸附能及功函数

采用基于密度泛函理论（DFT）广义梯度近似（GGA）下的第一性原理方法系统地研究了不同覆盖度下O在Ni（111）表面的吸附特性.计算结果表明,O在Ni（111）表面的稳定吸附位为三重面心立方（fcc）洞位,吸附能随着覆盖度的增加而减小,O诱导Ni（111）表面功函数的变化量与覆盖度成近线性关系,并随着覆盖度的增加而增大.同时,通过对电子密度和分波态密度的分析发现：O在Ni（111）表面的吸附使得Ni表面电子向O原子转移,形成表面偶极矩,导致功函数增加;表面Ni原子的3d轨道和O的2p轨道通过耦合、杂化作用形成成键态和反键态,而反键态几乎不被占据,因而O—Ni键相互作用比较强,吸附能较大. 关键词： 表面吸附 密度泛函理论 吸附能 功函数     

First-principles study of the electronic and optical properties of ZnO nanowires

The geometric, energetic, electronic structures and optical properties of ZnO nanowires (NWs) with hexagonal cross sections are investigated by using the first-principles calculation of plane wave ultra-soft pseudo-potential technology based on the density functional theory (DFT). The calculated results reveal that the initial Zn-O double layers merge into single layers after structural relaxations, the band gap and binding energies decrease with the increase of the ZnO nanowire size. Those properties show great dimension and size dependence. It is also found that the dielectric functions of ZnO NWs have different peaks with respect to light polarization, and the peaks of ZnO NWs exhibit a significant blueshift in comparison with those of bulk ZnO. Our results gives some reference to the thorough understanding of optical properties of ZnO, and also enables more precise monitoring and controlling during the growth of ZnO materials to be possible.     

The research on suspended ZnO nanowire field-effect transistor

This paper reports that a novel type of suspended ZnO nanowire field-effect transistors (FETs) were successfully fabricated using a photolithography process, and their electrical properties were characterized by I--V measurements. Single-crystalline ZnO nanowires were synthesized by a hydrothermal method, they were used as a suspended ZnO nanowire channel of back-gate field-effect transistors (FET). The fabricated suspended nanowire FETs showed a p-channel depletion mode, exhibited high on--off current ratio of ～10⁵. When V_DS=2.5 V, the peak transconductances of the suspended FETs were 0.396 μS, the oxide capacitance was found to be 1.547 fF, the pinch-off voltage V_TH was about 0.6 V, the electron mobility was on average 50.17 cm²/Vs. The resistivity of the ZnO nanowire channel was estimated to be 0.96× 10²Ω cm at V_GS = 0 V. These characteristics revealed that the suspended nanowire FET fabricated by the photolithography process had excellent performance. Better contacts between the ZnO nanowire and metal electrodes could be improved through annealing and metal deposition using a focused ion beam.     

Ferromagnetism of V-doped ZnO nanowires

The geometry structures,electronic structures,and magnetic properties of Zn46V2O48 nanowires are studied by density functional theory(DFT) calculations.We find that the ferromagnetic(FM) coupling is more stable for six configurations of Zn46V2O48 nanowires,and is mediated by neighboring O as evidenced from the strong hybridization of V 3d and O 2p states,exhibiting strong spin polarization.The spin polarization is found to be 100% in the Zn46V2O48 nanowires,which confirms that it is a half-metallic ferromagnet and very suitable for the injection of the spin carriers,which shows that Zn46V2O48 nanowire is one of the ideal materials to realize spin electronic devices.At the same time,the magnetic coupling mechanisms of Zn46V2O48 nanowires are analyzed with V 3d and O 2p orbitals and their magnetic moments mainly come from the contributions of the unpaired electrons of V 3d orbitals.The above results provide a theoretical basis for the preparation of 3d transition metal-doped ZnO nanowire materials.     

ZnO纳米线薄膜的合成参数、表面形貌和接触角关系研究

水浴法合成ZnO纳米线薄膜的工艺参数直接影响其表面形貌, 并使其接触角及润湿性能发生变化. 本文仿真分析了轮廓算数平均偏差、偏斜度、峭度、相关长度等特征参数对随机粗糙表面特性的影响规律; 改变生长时间、种子层溶液和生长液的浓度, 批量制备了表面形貌不同的ZnO纳米线薄膜; 提出了取样长度的确定方法, 并基于扫描电镜图像和Matlab图像处理算子对ZnO纳米线薄膜表面形貌的特征参数进行了提取; 将表面形貌高度和水平方向的特征参数引入Wenzel模型, 分析了合成参数、表面形貌特征参数与接触角的影响关系. 结果表明, 合成参数变化时, 选择取样长度5.0 μm为宜; 生长液浓度大于0.125 mol/L时, ZnO纳米线之间发生重结晶, 并呈现疏水性; 改变种子层溶液浓度和生长时间, 均得到超亲水表面. 上述结论可用于不同氧化酶、细胞等在ZnO纳米线薄膜上的有效吸附及相应传感器测试性能的进一步提高. 关键词： ZnO纳米线 水浴合成 表面形貌 接触角