二维Ti_2CO_2单层吸附H_2S分子的第一性原理研究

采用第一性原理计算方法研究了H_2S分子在二维单层Ti_2CO_2表面上的吸附以及外加应变和电场对其性质的调制,发现该吸附为物理吸附,其吸附强度几乎不受外加拉伸应变的影响,而外加电场使H_2S分子的吸附增强.同时,通过单层Ti_2CO_2表面不同结构(如水分子修饰、官能团掺杂、氧官能团空位)对H_2S分子吸附性质影响的研究表明:(1)表面吸附的水分子促进H_2S分子的吸附,其吸附强度随H_2O分子数增多而增强;(2)官能团OH掺杂浓度低于0.22 ML时,促进H_2S分子的吸附,而较高浓度OH掺杂使H_2S分子吸附减弱;官能团F掺杂对H_2S分子吸附强度几乎没有影响;(3)含氧空位的Ti_2CO_2表面与H_2S分子相互作用较强,吸附能高达-1.06 eV,且电子结构改变明显.     

La,Ce,Nd掺杂对单层MoS_2电子结构的影响

为了研究稀土掺杂对单层MoS2电子结构的影响,文章基于密度泛函理论框架下的第一性原理,采用平面波赝势方法分别计算了本征及La,Ce,Nd掺杂单层MoS2的晶格参数、能带结构、态密度和差分电荷密度.计算发现,稀土掺杂所引起的晶格畸变与杂质原子的共价半径大小有关,La杂质附近的键长变化最大,Nd杂质附近的键长变化最小.能带结构分析表明,La掺杂可以在MoS2的禁带中引入3个能级,Ce掺杂可以形成6个新能级,Nd掺杂可以形成4个能级,并对杂质能级属性进行了初步分析.差分电荷密度分布显示,稀土掺杂可以使单层MoS2中的电子分布发生改变,尤其是f电子的存在会使差分电荷密度呈现出反差极大的物理图象.     

非金属与金属原子共掺杂石墨烯体系的气敏特性研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了非金属N原子和金属原子(M=Mo,Al,Co,Fe,Au和Pt)共掺杂石墨烯体系(M-GN4)的电子结构和表面活性.研究发现:单个金属原子掺杂的GN4体系表现出不同的稳定性,相比掺杂的Au原子,其它的金属原子都具有很高的稳定性( 6. 0 e V).掺杂的金属原子失去电荷显正电性将有助于调控气体分子的吸附特性. Mo-GN4和Al-GN4衬底对吸附的O_2表现出较高的灵敏性,单个CO和O_2分子在Co-GN4和Fe-GN4衬底的吸附能差别较小.此外,吸附不同的气体分子能够有效地调控M-GN4体系的电子结构和磁性变化.     

气体分子在Co-BN表面吸附的第一性原理研究

采用包含色散力校正的密度泛函理论(DFT-D)方法系统地研究了气体分子(O2, H2, NO, CO, CO2, SO2, H2S, H2O)在Co掺杂单层BN(Co-BN)表面的吸附, 分析了吸附小分子的几何结构, 吸附能, 电荷转移等情况. 结果表明: 1) CO等气体分子主要吸附在Co及其近邻六元环的顶位, 吸附结构的电荷转移表明掺杂原子Co对BN衬底的气敏特性有较好的调制作用; 2) 在Co-BN表面吸附的O2和CO较易被活化, 表明Co-BN可能是一种对CO氧化有较好催化活性的新型催化材料.     

理论研究过渡金属原子修饰石墨炔材料的功能性

采用基于密度泛函理论中第一性原理方法分别对石墨炔负载过渡金属原子(M-gra)体系的稳定构型以及对多种气体小分子的灵敏度和选择性进行理论研究.计算结果表明金属原子吸附在孔洞结构的H2位具有高稳定性,不同种类的金属原子能够有效调控石墨炔体系的电子特性和具有不同的磁矩.比较气体分子的吸附能大小,M-gra衬底对O和OH表现出高的灵敏度,单个NO、NO₂和O₂的稳定性高于CO分子.此外,小分子吸附的M-gra体系具有金属、半金属和半导体特性,在电子和气敏器件领域具有潜在应用.     

氢空位簇调控锗烷的电子结构和分子掺杂

锗烷因其合适的带隙、较高的电子迁移速率、较好的环境稳定性、较小的电噪声和超薄的几何结构,有望取代现有硅基或锗基材料成为下一代半导体器件的理想载体.基于密度泛函理论和非平衡格林函数的第一性原理方法,研究了不同构型和浓度的氢空位簇对锗烷电子结构及锗烷中四硫富瓦烯(tetrathiafulvalene,TTF)分子掺杂性能的影响.计算结果表明,不同构型氢空位簇的引入可诱导Germanane Dehydrogenated-x H (G_D–xH)体系产生不同性质的磁性,且磁矩大小亦与Lieb定理的预测结果相符,并能在GD-x H (x=1, 4, 6)体系自旋向下的能带结构中实现由缺陷态引起的类p型半导体掺杂效应,其电子激发所需的能量则会随着体系脱氢浓度的升高而不断降低.吸附TTF分子后, G/TTF和G_D-xH/TTF (x=1, 2, 6)体系表现出分子掺杂效应,且GD-x H/TTF (x=1, 6)体系因分子轨道与缺陷态的杂化作用,可在自旋向上与自旋向下的能带结构中形成不同的掺杂类型.进一步的量子输运计算还表明, Armchair和Zigzag...     

过渡金属Pd掺杂AsP结构及其吸附甲醛和一氧化碳的性能研究

基于第一性原理方法,研究了单层本征磷砷AsP和过渡金属钯（Pd）掺杂磷砷AsP的结构,并对比研究了本征和掺杂后的AsP吸附甲醛（HCHO）和一氧化碳（CO）气体分子的稳定性、能带结构、态密度以及电荷差分密度。研究结果表明：经Pd掺杂后AsP由半导体转变为导体;本征AsP吸附一氧化碳最稳定的位置为P-As键顶上,吸附甲醛最稳定的位置为P原子顶上;本征吸附时气体分子与基底之间的距离在3 Å左右,气体分子与基底之间未形成化学键。过渡金属Pd原子掺杂AsP后形成两种结构,分别为Pd原子替换超胞结构中的As原子或P原子。两种掺杂结构分别吸附一氧化碳或甲醛气体分子时,除了Pd原子替换AsP中的As原子形成的结构吸附甲醛的吸附能未明显增加外,其余掺杂结构吸附一氧化碳或甲醛的吸附能和电荷转移较本征吸附时均显著增强,吸附CO分子时,C原子与Pd原子之间形成了化学键。特别是,Pd原子替换AsP中的P原子形成的结构对一氧化碳和甲醛气体分子的吸附性能明显强于Pd原子替换AsP中的As原子所形成的结构。     

电场对PtO2/MoS2范德瓦尔斯异质结电子结构调控

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了外电场对PtO2/MoS2范德瓦尔斯异质结电子结构的调控,发现当层间距d=2.83 ?时异质结结构最稳定,且表现为Ⅱ型间接带隙半导体,其带隙为0.68 eV.通过施加垂直平面方向电场可有效调控PtO2/MoS2异质结电子结构,当外电场为-1V/?时,发生半导体-金属相变...     

点缺陷对单层MoS2电子结构及光学性质的影响研究

采用基于第一性原理的贋势平面波方法,对不同类型点缺陷单层MoS2电子结构、能带结构、态密度和光学性质进行计算。计算结果表明：单层MoS2属于直接带隙半导体,禁带宽度为1.749ev,V-Mo缺陷的存在使得MoS2转化为间接带隙Eg=0.671eV的p型半导体,V-S缺陷MoS2的带隙变窄为Eg=0.974eV,S-Mo缺陷的存在使得MoS2转化为间接带隙Eg=0.482eV; Mo-S缺陷形成Eg=0.969eV直接带隙半导体,费米能级上移靠近价带。 费米能级附近的电子态密度主要由Mo的4d态和s的3p态电子贡献。光学性质计算表明：空位缺陷对MoS2的光学性质影响最为显著,可以增大MoS2的静态介电常数、折射率n0和反射率,降低吸收系数和能量损失。     

电场对PtO2/MoS2范德瓦尔斯异质结电子结构调控

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了外电场对PtO2/MoS2范德瓦尔斯异质结电子结构的调控,发现当层间距d=2.83Å时异质结结构最稳定,且表现为Ⅱ型间接带隙半导体,其带隙为0.68 eV。通过施加垂直平面方向电场可有效调控PtO2/MoS2异质结电子结构,当外电场为-1 V/Å时,发生半导体-金属相变。这些研究结果表明PtO2/MoS2异质结在新型二维材料光电纳米器件方面具有广泛应用前景。     

掺杂六角形石墨烯电子输运特性的研究

锯齿型和扶手椅型六角形石墨烯分别跨接在两Au电极上, 构成分子纳器件, 同时考虑对六角形石墨烯分别进行B, N和BN局部规则掺杂. 利用第一性原理方法, 系统地研究了这些器件的电子输运特性. 计算结果表明: B及BN掺杂到扶手椅型六角形石墨烯, 对其电流有较好的调控效应, 同时发现本征及掺杂后的锯齿型六角形石墨烯均表现为半导体性质, 且N及BN掺杂时, 表现出明显的负微分电阻现象, 特别是N掺杂的情况, 能呈现显著的负微分电阻效应, 这也许对于发展分子开关有重要应用. 通过其透射特性及掺杂诱发的六角形石墨烯电子结构的变化, 对这些结果的内在原因进行了说明.     

对Cu(111)表面吸附的单个苉分子的分子轨道进行成像:一个实验与理论相结合的研究

结合扫描隧道显微学测量和密度泛函理论计算研究了直接吸附在Cu（111）表面的单个苉分子的电子结构性质.在低覆盖度下,苉分子表现出了单分散的吸附行为,利用dI/dV谱和图像可以辨别出吸附的单个苉分子在-1.2 V附近的最高占据态和1.6 V附近的最低未占据态.此外,还可以观测到苉分子未占据态的dI/dV信号对采谱位置具有很强的依赖性.第一性原理计算很好地模拟了这些实验结果,并且将它们归因于分子-衬底相互作用引起的苉分子不同分子轨道之间的混合态的能量和空间分布.该工作提供了吸附在金属衬底表面的苉分子的局域电子结构信息,将促进对单分子器件中电子输运性质对分子-金属电极耦合的依赖性的理解.     

V族元素掺杂的单层二维铁电α-In2Se3中的带隙异常增大现象

基于第一性原理密度泛函理论计算, 我们探索了 V 族元素(P,As 和Sb) 掺杂的单层二维铁电α-In2Se3 的电子结构. 由于本征的α-In2Se3 中存在两个不等价的In 原子层,V 族元素掺杂在不同的In 原子层会表现出不同的能带结构, 对于带隙变化尤为明显. 当掺杂元素位于α-In2Se3 的四面体配位的In 原子层时, 其带隙相比于本征的单层α-In2Se3 的带隙明显增大, 这与通常半导体或绝缘体中杂质掺杂的物理图像相反. 利用α-In2Se3 的铁电特性, V族元素掺杂的单层α-In2Se3 的带隙可以通过施加外电场翻转α-In2Se3 电极化的方向来调控. 这项工作为在二维材料中构建具有不同电子性质的非易失双态提供了一种实际有效的方法.     

过渡金属掺杂β-GeS的电子性能和光学性质的第一性原理研究

运用第一性原理计算方法系统研究了二维单层β-GeS中取代掺杂不同3d过渡金属原子时体系磁性、能带结构和光学性质的变化.结果表明：相比于本征非磁性β-GeS,取代掺杂Ti～Cu导致β-GeS具有磁性,且磁矩呈现出先增加后减小的变化趋势;掺杂后体系能带结构发生明显变化,分别表现出金属,半金属和半导体性质,而且导带底的位置明显向Fermi能级方向移动.相比于本征体系,非本征体系的光学性质表明：其在一定波段范围内出现蓝移现象以及光响应强度发生变化,且掺杂前后体系均表现出高的各向异性.     

Ti,Cu和Zn掺杂AlN纳米片电磁性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的全势线性缀加平面波法(FP-LAPW)研究了过渡金属Ti,Cu,Zn掺杂Al N纳米片的电子结构、磁性和稳定性.结果表明,Ti,Cu,Zn单掺杂均表现出半金属铁磁性,磁性主要是由于杂质原子的3d态与近邻N原子的2p态的轨道杂化.形成能的计算结果表明Ti掺杂Al N体系相对Cu和Zn掺杂结构更稳定.因此,相比于Cu和Zn,Ti掺杂Al N纳米片更适合用来制作稀磁半导体.     

Pt-N共掺杂闪锌矿ZnS光催化性质的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理计算Pt、N单掺杂及Pt-N不同位置共掺杂闪锌矿ZnS的晶型结构、电荷布局、电子结构以及光学性质.计算结果表明,Pt单掺杂后晶格体积增大,N单掺杂后的晶格体积减小,Pt-N共掺杂时的相对位置不同,晶格参数及电荷布局均存在差异,从而对体系的畸变产生不同影响.形成能计算表明Pt、N非邻位共掺杂相对于邻位共掺杂体系更易实现.电子结构计算结果表明,Pt掺杂ZnS后使材料表现出了一定的金属属性;共掺杂体系中,随着Pt-N距离的增大,N-2p轨道与Zn-3d在价带深能级的局域化作用减弱,价带部分的N-2p轨道逐渐聚集于费米能级附近形成杂质能级,有助于光生电子的跃迁,提高光催化效率.光学性质计算结果表明,共掺杂Pt-N间距离越大,低能区的介电常数虚部ε_2的峰值越大,在可见光区的吸收峰值也越大.     

氧气在碳化钨负载的铜-金合金单层上吸附与解离的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了碳化钨负载的铜-金合金单层催化剂对氧气吸附和解离性质的影响.通过比较碳化钨负载的纯金单层与铜掺杂的合金单层的电荷布局,发现掺杂铜可以创造新的活性位点,改变氧气的吸附构型,改善氧气的吸附和解离性质.进一步探究了氧气在Cu₁Au₈/WC(0001),Cu₂Au₇/WC(0001)上的解离过程,发现:氧气在Cu₂Au₇/WC(0001)上解离势垒仅为0.64 eV,远低于在纯金单层上的1.56 eV,表明铜掺杂有效促进了氧气的解离.铜掺杂后的单层结构变化预示了在单层产生了配位效应和局部应力效应.电荷布局和态密度结果表明铜掺杂促进了单层上电荷的重新分布,加强了氧气分子与基底的电荷转移和轨道杂化,从而增强了对氧气的吸附.当前的研究结果阐明了碳化钨负载合金单层对氧气分解的促进作用和机理,为设计更加高效廉价的氧还原反应催化剂奠定理论基础.     

单层硅烯表面的CoPc分子吸附研究

由于低维材料表面上的单原子和分子具有丰富的物理化学性质,现已经成为量子器件及催化科学等领域的研究热点.单层硅烯在不同的衬底制备温度下,表现出丰富的超结构,这些超结构为实现有序的单原子或分子吸附提供了可靠的模板.利用原位硅烯薄膜制备,分子沉积,超高真空扫描隧道显微镜以及扫描隧道谱,本文研究了Ag(111)衬底上3种硅烯超结构((4×4),(■×■),(2■×2■))的电子态结构,表面功函数随超结构的变化,以及CoPc分子在这3种超结构硅烯上的吸附行为.研究结果表明,这3种超结构的硅烯具有类似的电子能带结构,且存在电子从Ag(111)衬底转移到硅烯上的可能性,从而导致硅烯的表面功函数增大,表面功函数在原子级尺度上的变化对分子的选择性吸附起着重要作用.此外,还观察到分子与硅烯的相互作用导致CoPc分子的电子结构发生对称性破缺.     

C-Cu共掺杂ZnO的p型导电性研究

近年来,C、Cu单掺杂ZnO获得p型化的相关研究甚多,然而对于C-Cu共掺杂ZnO却鲜有研究.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算分析比较了C、Cu单掺杂、C-Cu分别以1:1、1:2、2:1比例共掺杂ZnO体系的晶格结构、电子态密度、空穴有效质量和形成能.研究结果表明:在本文的计算方法和模型下,各掺杂体系均能获得p型ZnO;当C-Cu以1:2比例掺入ZnO时,容易获得p型化水平更高、电子迁移效应更优、导电性更好、形成能低掺杂更稳定的半导体新材料.     

Te掺杂单层MoS2的电子结构与光电性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了Te掺杂对单层MoS₂能带结构、电子态密度和光电性质的影响。结果表明,本征单层MoS₂属于直接带隙半导体材料,其禁带宽度为1.64 eV。本征单层MoS₂的价带顶主要由S-3p态电子和Mo-4d态电子构成,而其导带底则主要由Mo-4d态电子和S-3p态电子共同决定;Te掺杂单层MoS₂为间接带隙半导体材料,其禁带宽度为1.47 eV。同时通过Te掺杂,使单层MoS₂的静态介电常数增大,禁带宽度变窄,吸收光谱产生红移,研究结果为单层MoS₂在光电器件方面的应用提供了理论基础。