基于第一性原理对硅取代、掺杂锯齿形石墨烯纳米带的电子结构及输运性质的研究

本文基于第一性原理对硅取代、掺杂石墨烯纳米带不同位置的电子能带结构、态密度及电子器件的电子输运性质进行了分析与研究.结果表明,锯齿形石墨烯纳米带(ZGNRs)在硅原子取代及掺杂后由原来的半导体态转变为金属态.在各种模型中,对于体系态密度有贡献的一般为原子指数为1、在p轨道的硅原子(Si1p);原子指数为2、在p轨道的硅原子(Si2p)和碳原子(C2p);少量的原子指数为1、在s轨道的氢原子(H1s)和碳原子(C1s).经分析,在各取代位置中两端硅原子取代的锯齿形石墨烯纳米带的体系能量最小,表明其为最有可能发生的取代位置.在掺杂位置中,体系能量计算结果显示填隙硅原子的能量更低,最有可能发生此种掺杂.电子输运性质的研究中,在所有的取代位置中单边硅原子取代组成的电子器件电子输运性质最好.在所有电子器件模型中电子输运性质最好的是填隙硅原子掺杂模型.     

掺P石墨烯结构和电子性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论第一性原理,在广义梯度近似下,本文研究本征石墨烯和掺杂不同浓度P的石墨烯结构和电子性质并发现本征石墨烯禁带宽度为零;对于P∶C掺杂比分别为1∶17、1∶7、1∶1的石墨烯,其P-C键长由0.142nm的C-C键分别增大为0.1629 nm、0.1625 nm、0.1751 nm,其对应带隙分别由零带隙变为0.28 eV、0.44 eV、1.21eV:费米能级逐渐下降.分析分波态密度后发现,在掺P石墨烯中主要为P原子的3p态电子影响其总态密度.     

Zn掺杂纤锌矿CdSe电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用密度泛函理论中的广义梯度近似平面波超软赝势方法,计算研究了不同浓度Zn原子掺杂纤锌矿结构CdSe的电子与光学性质.结果显示:随着Zn掺杂浓度的升高,纤锌矿Cd1-xZnxSe的体积在减小,形成能降低,掺杂越容易,稳定性变高;Zn掺杂引起导带底向高能方向移动,禁带宽度逐渐增加;掺杂后形成的Zn-Se键具有更大的密立根重叠布居数,表现出更强的共价性;体系的直接带隙宽度增加,导致光电子跃迁峰向高能方向发生蓝移;在紫外光区9.75eV左右,掺杂体系的吸收强度达到最大,能量损失最小.     

BiF3弹性性质和电子性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法对BiF3的结构、弹性和电子性质进行了研究.计算表明,正交的Pnma结构是零压下的最稳定结构.在0~45 GPa压力区间内,Pnma结构都是力学稳定的.BiF3是脆性材料,有较强的弹性各向异性特征.零压下体模量、剪切模量和杨氏模量分别为27.9 GPa,25.7 GPa和58.9 GPa,泊松比为0.15,德拜温度是244 K.电子性质的研究表明,零压下BiF3的带隙为4.69 eV,随着压强的升高,导带向高能方向移动,价带向低能方向移动.化学键是共价键和离子键的混合.     

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.     

Na-Ti共掺LiFePO4电子结构及弹性性质的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法,构建了Na-Ti共掺LiFePO₄的模型,并利用CASTEP模块计算了共掺体系的电子结构和弹性性质。计算结果表明,由于引入了杂质原子,共掺体系的晶胞参数略微增加,带隙由0.695 eV降低至0.473 eV,电子跃迁所需能量减小。并且锂离子迁移势垒由0.34 eV降低至0.25 eV,使得共掺后的结构导电性增强。弹性性质计算结果表明,共掺后结构的体积模量、剪切模量以及杨氏模量均有不同程度的下降,而计算的泊松比显示材料掺杂前后均为脆性,但共掺杂后的材料塑性强于未掺杂的材料,并且共掺后晶体的各向异性减弱,提高了LiFePO₄的延展性。     

不同浓度Nb掺杂ZnO第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了不同浓度Nb掺杂ZnO的能带结构及性能,并对本征ZnO、Al掺杂ZnO(AZO)和Nb掺杂ZnO(NZO)的模拟结果进行对比分析。结果表明:(1)NZO和AZO的带隙值均低于本征ZnO的带隙值,掺杂浓度(原子数分数)同为6.25%的NZO的带隙值低于AZO的带隙值。随着Nb掺杂浓度增高,NZO的导带底明显降低,态密度峰值降低,且Nb-4d态电子占据了费米能级的主要量子态。(2)随着掺杂浓度的增加,NZO和AZO吸收峰和介电函数峰均降低,且向低能区移动,其中,NZO吸收峰向低能区移动更明显,且介电函数虚部分别在0.42 eV和34.29 eV出现新的峰,主要是价带中Nb-4d和Nb-5p电子能级跃迁所致。掺杂浓度同为6.25%的NZO的静介电常数大于AZO的静介电常数,表明NZO极化能力更强,NZO可以更有效改善ZnO的光电性能。随着Nb掺杂浓度增加,NZO的吸收系数和介电函数虚部强度增加且向高能区移动。NZO的模拟结果为高价态元素Nb掺杂ZnO的实验研究工作及实际应用提供了理论参考。     

Y,Zr,Nb掺杂对单层MoS2电子结构的影响

本文基于第一性原理的方法研究了Y、Zr、Nb在Mo位掺杂单层MoS2的能带结构和态密度.研究发现:Y、Zr、Nb三种杂质在Mo位掺杂使杂质原子附近的键长发生畸变,畸变最大的是Y掺杂体系;Y、Zr、Nb的掺杂改变了单层MoS2能能带结构,使掺杂体系向导体转变;对于Y、Zr、Nb共掺杂体系,Y、Zr共掺杂增强了单层MoS2导电性能;Y、Nb共掺杂单层MoS2的费米能级穿过杂质能级,此处的能级处于半满状态,容易成为电子的俘获中心;Zr、Nb共掺杂体系的禁带中出现了多条杂质能级,同时导带能量上移;Y、Zr、Nb共掺杂可以很大程度改变单层MoS2材料的电子结构.     

Fe,Mn共掺SnO2超晶格电子结构和光学性质研究

基于密度泛函理论的第一性原理,采用了广义梯度近似(GGA)处理交换相关势,用Wien2k软件计算了SnO2超晶格掺杂单层Mn、双层Mn及Fe、Mn共掺情况下的态密度、能带结构、光学性质.结果表明SnO2超晶格单掺Mn时,材料表现为半金属性,这是由于Mn-3d与O-2p的耦合作用,而双层Mn掺杂时仅有O-2p提供.随Mn掺杂层数的增加,其光学性质在低能级处的峰值增大,光学吸收边发生红移,材料透光性能增强.当Fe、Mn共掺时,态密度向低能方向移动,能带结构在Fermi能级附近出现自旋极化,材料表现为半金属性,这是由于Fe与Mn强烈耦合所致.材料的吸收谱、反射谱、能量损失图谱变化趋势一致,但共掺杂比单掺时各谱更向低能方向移动.     

Cu掺杂硅量子点的电子结构和光学性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理的方法,对Cu掺杂H钝化硅量子点的形成能、态密度、磁性和光学性质进行了计算,考虑了Cu占据硅量子点替代和间隙的不同位置.结果表明:Cu趋向占据硅量子点表面的六角形间隙位置.Cu掺杂硅量子点引入了杂质能级,带隙变窄.由于Cu的d态p态和Si的p态耦合,导致Cu替代掺杂硅量子点具有铁磁性,且在低能区出现了一个较强的吸收峰.     

高压下Pca21相TiO2直接相变的第一性原理研究

利用第一性原理的GGA+U方法对TiO2的金红石相(P42/mnm)、铌铁矿相(Pbcn)和Pca21相(Pca21)进行了计算.首先,优化了这几个相的晶体结构及相关参数,分析了焓曲线图,发现在减压至8.4 GPa时,Pca21相直接相变为铌铁矿相.其次,通过拟合分析了三阶Birch-Murnaghan状态方程得到Pca21相的体弹模量B0与类萤石结构实验值(202 GPa)非常符合.最后,通过讨论Pca21相的相变压强和体弹模量,进一步证明Pca21相结构更符合类萤石实验结果.     

CdTe和CdZnTe电子结构及成键机理的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的CASTEP程序软件包,计算了CdTe和CdZnTe的能带结构和态密度,研究对比了CdTe 和CdZnTe的分子内成键机制.结果表明,在CdZnTe中,Cd eg和Te 5s杂化形成较低的价带,Zn t2g和Te 5pz杂化形成的π键等构成中间价带,Zn 4s和Te 5pz杂化形成的σ键等构成导带.Cd 5s和Te 5s不再杂化,导带底向高能级方向移动.     

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.     

Electronic Structure and X‐Ray Photoelectron Spectroscopy of Wurtzite GaxAl1‐xN Solid Alloy

Band energy structure of Ga_xAl_1‐xN solid alloy (x=0.15; 0.65) is calculated. All one‐electron methods of band energy calculations (self‐consistent norm‐conserving pseudo‐potential (NCPP), linear muffin tin orbital method (LMTO) and linear combination atomic orbital (LCAO)) methods give considerable disagreement with the experimental data. We demonstrate that better agreement with experiment is achieved when the NCPP wavefunctions are orthogonalised to the core‐like states. Simultaneously additional geometry optimization improve the agreement with the optical data. We have carried out theoretical and experimental investigation of the band density of states for two representatives of the investigated wurtzite Ga_xAl_1‐xN solid alloys (with x=0.15 and 0.65).     

(Sr0.7Bi0.2)TiO3取代BNT基无铅陶瓷的相变及储能特性

采用弛豫铁电体(Sr0.7Bi0.2)TiO3与铁电体(Bi0.5Na0.5)TiO3构建了的新型二元系BNT基无铅陶瓷材料:(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-x(Sr0.7Bi0.2)TiO3(记为BNT-xSBT,x=10mol;、20mol;、30mol;和40mol;).通过传统固相法进行制备,研究了(Sr0.7 Bi0.2)TiO3取代对其结构、相变、铁电性能和储能特性的影响.结果表明,室温所测BNT-xSBT陶瓷为准立方结构;介温和铁电性则证实其为极性三方和非极性四方共存相结构.A位复合占位的BNT-xSBT陶瓷是典型的弛豫铁电体,其Tm随x的增大而减小.低温(Td)处的介电反常源于结构(三方和四方)起伏所引起的缓慢转变过程.(Sr0.7 Bi0.2)TiO3取代量增大时,其Td降低,四方相增多,并伴随非极性微区增长;并导致BNT-xSBT陶瓷的铁电性减弱和电滞回线变形.x=30mol;时,BNT-xSBT陶瓷具有大的Pmax=26.8μC/cm2、小的Pr=1.4μC/cm2,和较好的储能特性:W=0.74 J/cm3,η=68.5;(@70 kV/cm).     

Ba掺杂Si 笼状化合物结构和电子性质的研究

利用第一性原理研究了Ba_8Si_(46)和Ba_8Ag_6Si_(40)笼状化合物的电子性质.对于Ba_8Si_(46),化合物中Ba原子5d轨道与Si原子3s,特别是3p轨道杂化,一方面导致了Ba_8Si_(46)在费米能级附近有很高的态密度,另一方面说明了笼内Ba原子和笼上Si原子之间存在耦合.对于Ba_8Ag_6Si_(40)分析结果表明,由于Ag的5s轨道向Si的3p轨道转移电子,导致Ag与Si原子间成键趋向离子键.带结构显示这两种化合物具有弱金属特征,但Ba_8Ag_6Si_(40)化合物与费米能级相交的带宽较大,预期这种化合物具有更好的导电性能.     

AgAlSe2晶体高压相变的第一性原理研究

基于密度泛函理论,采用广义梯度近似法,研究了黄铜矿结构AgAlSe₂在高压下的晶体结构、晶格动力学稳定性与电子结构.结果显示:在0 GPa时AgAlSe₂的晶格参数与实验值吻合,在13.9 GPa附近,质量密度、Se-Ag键长、Se-Al键长、晶格常数a突然增大,相对晶胞体积V/V₀、晶格常数c突然减小,声子谱出现虚频,结构变得不稳定,带隙发生突变,数值呈减小趋势.表明AgAlSe₂晶体在13.9 GPa附近发生结构相变.该研究为AgAlSe₂晶体在理论上所能承受的高压提供信息支撑.