锰酸锂掺杂Fe和Co的性质的第一性原理计算

文章基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了LiMn₂O₄电池材料在掺杂Fe和Co离子时的电子结构和电化学性能.发现Fe\Co取代Mn³⁺在热力学上是会更加稳定,提升电化学性能.掺杂Fe后,LiMn₂O₄电池材料晶格参数减小(约0.3%);掺杂Co后,LiMn₂O₄电池材料晶格参数减小(约0.5%).这两种掺杂方式让与之相邻的Mn³⁺被氧化成Mn⁴⁺,从而降低了Jahn-Teller畸变情况产生可能性.对于掺Fe尖晶石型锰酸锂(Li₈Mn₁₅FeO₃₂),Mn环境中的Li离子会更容易被提取,第一次放电电压从原来的3.7 V增加至4.623 V;对于掺Co尖晶石型锰酸锂(Li₈Mn₁₅CoO₃₂),第一次放电电压从原来的3.7 V增加至4.101 V.研究为锂电池...     

Fe9Si的电子结构及铁磁性质的第一性原理研究

采用第一性原理的密度泛函理论（Density Functional Theory）赝势平面波方法, 对Fe9Si的电子结构和铁磁性质进行理论计算。 计算结果表明： (1) Fe9Si具有负的形成热-0.1094 eV/atom, 结合能5.124 eV/atom, 表明Fe9Si合金具有强结合力和结构稳定性; (2) Fe9Si具有典型的金属能带特征, 穿过Fermi能级的能带最主要是Fe的3d态电子的贡献, 其次是来自Si的3p态电子的贡献。 结合键不是单一金属键, 而是金属键和共价键组成的混合键; (3) Fe9Si的铁磁性主要来自Fe原子的未满层壳的3d态电子的自旋。 计算结果为Fe9Si铁磁性材料的设计与应用提供了理论依据。     

Fe在高压下第一性原理计算的芯态与价态划分

采用基于密度泛函理论的平面波赝势方法的第一性原理计算，对过渡金属Fe元素进行自旋极化的总能量计算，能量计算精度取为平均每个原子0.01 eV.通过分析分波能带展宽与能带电子对总能量的贡献，讨论了在不同压强范围下第一性原理计算时Fe原子芯态与价态的合理划分.结果显示，当压强增加到约140 GPa时，3p电子对总能的贡献将不能忽略，而在地心压强下，3 s电子的贡献可以忽略. 关键词： 第一性原理计算 高压 芯态与价态     

掺杂Fe对VH2解氢性能影响的第一性原理研究

采用密度泛函理论(DFT)的第一性原理的平面波超软赝势方法,研究了Fe掺杂对VH₂的电子结构和解氢性能的影响.通过计算Fe掺杂VH₂前后体系的合金形成热、V-H之间的重叠布居数、电子态密度、电子密度,发现Fe掺杂VH₂后,随着Fe含量增加,合金体系的晶胞参数和晶胞体积逐渐减少;体系的负合金形成热逐渐减少,且掺杂后体系的负合金形成热都比VH₂的负合金形成热小,体系的稳定性降低;电子态密度计算也显示Fe掺杂后费米能级处的电子浓度增加,体系稳定性降低;重叠布居数和电子密度计算表明掺杂后V-H之间的重叠布居数由0.1减小为0.08或0.09,V-H之间的电子密度减少,说明V和H原子之间的相互作用减弱,提高了VH₂的解氢性能.计算结果解释了实验现象. 关键词： Fe掺杂 电子结构 解氢性能 第一性原理计算     

第一性原理研究压力对Fe2B的结构、机械性质的影响

基于密度泛函理论的第一性原理方法,系统研究了0～30 GPa压力下四方相Fe₂B的结构,稳定性和力学性质等.随着压力的增加,计算得到的晶格参数逐渐减小,所有结构均满足热力学稳定性,体积模量和剪切模量逐渐增大,韧性得到有效改善.硬度呈现先增大后减小的趋势,并在18 GPa压力时达到最大值,各向异性先增大后减小.德拜温度变化趋势与杨氏模量的变化趋势相同.同时还研究了相变结构——正交相的相关性质,结果表明其结构满足热力学稳定性但不满足力学稳定性,是否稳定存在还需要进行后续实验研究.     

镧系氮化物压致结构相变的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理计算,得到了常压下镧系氮化物的晶格常数,以及在压力作用下镧系氮化物从NaCl型结构(B1)到CsCl型结构(B2)转变的压力。并把考虑电子自旋极化与不考虑电子自旋极化作用的计算结果进行了对比,分析了4f电子对镧系氮化物这些强关联体系的压致结构转变压力的影响。结果显示:5个镧系元素的氮化物(GdN、TbN、DyN、HoN和ErN)从B1相到B2相转变的压力与电子自旋极化作用关系很大,而其它镧系氮化物的相变压力与电子自旋极化作用的关系很小。     

BiFeO_3结构性质与相转变的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,系统地研究了BiFeO3的7种不同空间群(R3c,R3m,P4mm,Cm,Pm3m,R3m和R3c)结构及其转变关系.结果表明,铁电相R3c结构是基态,不同结构之间也存在着一定的转变关系,其变化主要包括两种形式,在[111]方向上Bi3+相对FeO6八面体存在一定的位移和FeO6八面体绕[111]极化轴的反铁扭曲旋转.此外,还得出BiFeO3的薄膜结构受到衬底结构的作用会导致其从三方相(R3c)向四方相(P4mm)转变.     

偶氮四唑胍盐GZT高压物性的第一性原理计算

偶氮四唑胍盐GZT具有良好的爆轰性能和较低的感度,是潜在的高能钝感炸药和气体发生剂.目前针对GZT的研究主要集中在常温常压状态下,而对其在高压等极端条件下的研究极少开展,其压力下的结构稳定性、电子性质以及氢键相互作用还有待深入分析.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了GZT在0～50 GPa压力下的结构稳定性、电子结构以及氢键相互作用.研究结果表明,GZT在此压力范围内没有发生结构转变,其结构在x轴方向上氢键分布稀少的特点导致了它沿此方向容易被压缩,C1-N1是结构中表现得最不稳定的化学键.同时,GZT属于间接带隙化合物,带隙随着压力的增加而单调递减,感度增加.此外,N-H^…N类型的氢键在GZT所有的相互作用中占据主导地位氢键沿yz平面的贡献占主要地位,沿x轴贡献很少.压力使得氢键相互作用的范围扩大且距离缩短.     

蛋白质分子电子结构的第一性原理从头计算

蛋白质分子电子结构的计算对生命科学和计算机药物设计有重要的科学意义和应用价值,但对计算方法和计算机也是巨大的挑战。团簇埋入自治计算法是近年来发展起来的“第一性原理”、从头计算法。它采用局域化无相互作用单电子模型,结合“分块－合拢”技术,使计算量大大减少。最近,应用该方法,对一个真实蛋白质分子（南瓜种子中的胰蛋白酶抑止因子ＣＭＴＩ－Ｉ）电子结构的首次“第一性原理”、全电子、全势场、从头计算获得成功。表明生物大分子电子结构的计算在现有计算机条件下已成为现实,使从本质上揭开生命奥秘成为可能。本介绍了上述计算的基本理论、方法和结果。     

α-Ti2Zr高压物性的第一性原理计算研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算获得了α-Ti₂Zr的晶体结构、弹性常数、德拜温度和电子分布情况, 研究了它们与压力的关系. 计算得到的晶体结构参数与实验值一致. 运用有限应变方法计算得到了α-Ti₂Zr的体积模量B、剪切模量G、杨氏模量E和泊松比σ. B和E的零压值分别为101.2和35.6 GPa. G/B的值较小, 并且随着压力的增加而减小, 表明α-Ti₂Zr具有优异的延展性. 基于弹性常数得到平均声速, 从而获得了德拜温度Θ=321.7 K. 通过解Christoffel方程获得的压缩波和剪切波数据揭示α-Ti₂Zr具有较强的各向异性. 此外, 压力诱导电子从s轨道到d轨道的转移说明在一定压力下α-Ti₂Zr将转变为β相. 关键词： 第一性原理 α-Ti₂Zr')" href="#">α-Ti₂Zr 物性 高压     

高压下RhB的相变、弹性性质、电子结构及硬度的第一性原理计算

采用密度泛函理论中的赝势平面波方法系统地研究了高压下RhB的结构相变、弹性性质、电子结构和硬度.分析表明,RhB在25.3 GPa时从anti-NiAs结构相变到FeB结构,这两种结构的弹性常数、体弹模量、剪切模量、杨氏模量和弹性各向异性因子的外压力效应明显.电子态密度的计算结果显示,这两种结构是金属性的,且费米能级附近的峰随着压强的增大向两侧移动,赝能隙变宽,轨道杂化增强,共价性增强,非局域化更加明显.此外,硬度计算结果显示,anti-NiAs-RhB的金属性比较弱,有着较高的硬度,属于硬质材料.     

First-principles calculations of structural stability and mechanical properties of tungsten carbide under high pressure

The structural stability and mechanical properties of WC in WC-, MoC- and NaCl-type structures under high pressure are investigated systematically by first-principles calculations. The calculated equilibrium lattice constants at zero pressure agree well with available experimental and theoretical results. The formation enthalpy indicates that the most stable WC is in WC-type, then MoC-type finally NaCl-type. By the elastic stability criteria, it is predicted that the three structures are all mechanically stable. The elastic constants C_ij, bulk modulus B, shear modulus G, Young?s modulus E and Poisson?s ratio ν of the three structures are studied in the pressure range from 0 to 100 GPa. Furthermore, by analyzing the B/G ratio, the brittle/ductile behavior under high pressure is assessed. Moreover, the elastic anisotropy of the three structures up to 100 GPa is also discussed in detail.     

Elastic and thermodynamic properties in CdO at high pressures from first-principles calculations

In this study, we report first-principles calculations of the elastic and thermodynamic properties for CdO in both the B1 (rocksalt) phase and B2 (cesium chloride) phase. The calculations are performed within the framework of density functional theory, using the pseudopotential plane-wave method. From the theoretical results, we find that the high pressure structural phase transition of CdO from B1 structure to B2 structure is 90.31 GPa. The calculated values are, generally speaking, in good agreement with experiments and with similar theoretical calculations. According to the quasi-harmonic Debye model, we investigate the sound velocity and Debye temperature of CdO under pressures in the range of 0<P<150 GPa.     

BaZrO3和CaZrO3能带和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论基础上的CASTEP软件包,计算了BaZrO3和CaZrO3的能带以及光学性质.计算得到BaZrO3直接带隙和间接带隙分别为3.49 eV和3.23eV,CaZrO3直接带隙和间接带隙分别为3.73 eV和3.38 eV.对这两种材料的介电函数、吸收系数、反射系数、折射系数、湮灭系数和能量损失系数等光学系数进行了计算,并基于电子能带对光学性质进行了解释.得出,光学特性的异同是由于其内部微观结构上的异同所引起的.     

Pressure-induced stable structures and physical properties of Sr-Ge system

We have systematically investigated the structures of Sr-Ge system under pressures up to 200 GPa and found six stable stoichiometric structures, they being Sr$_{3}$Ge, Sr$_{2}$Ge, SrGe, SrGe$_{2}$, SrGe$_{3}$, and SrGe$_{4}$. We demonstrate the interesting structure evolution behaviors in Sr-Ge system with the increase of germanium content, Ge atoms arranging into isolated anions in Sr$_{3}$Ge, chains in Sr$_{2}$Ge, square units in SrGe, trigonal units and hexahedrons in SrGe$_{2}$, cages in SrGe$_{3}$, hexagons and Ge$_{8}$ rings in SrGe$_{4}$. The structural diversity produces various manifestations of electronic structures, which is of benefit to electrical transportation. Among them, these novel phases with metallic structures show superconductivity (maximum $T_{rm c}sim 8.94$ K for Pmmn Sr$_{3}$Ge). Notably, the n-type semiconducting Pnma SrGe$_{2}$ structure exhibits high Seebeck coefficient and excellent electrical conductivity along the $y$ direction, leading to a high $ZT$ value up to 1.55 at 500 K, which can be potential candidates as high-performance thermoelectrics. Our results will enable the development of fundamental science in condensed matter physics and potential applications in novel electronics or thermoelectric materials.     

First-principles calculations for electronic and optical properties of the zinc-blende structured BeS compound under pressure

The electronic and the optical properties of the cubic zinc-blende (ZB) BeS under high pressure have been investigated by using \it ab initio plane-wave pseudopotential density functional theory method in the generalised gradient approximation (GGA) for exchange-correlation interaction. The electronic band structure and the pressure dependence of the total and partial densities of state under pressure are successfully described. Our calculations show that the ZB BeS has large and indirect band gaps associated with (Γ → X) transitions in ambient conditions. The results obtained are consistent with the experimental data available and other calculations. The optical properties, including dielectric function, energy-loss function, complex refractive index, reflection and absorption spectra, are investigated and analysed at different external pressures. The results suggest that the optical absorption appears mostly in the ultra-violet region and the curve of refractive index shift toward high energies (blue shift) with pressure increasing.     

高压下ErNi2B2C弹性性质、电子结构和热力学性质的第一性原理研究

采用密度泛函理论中的赝势平面波方法研究了高压下超导材料 ErNi₂B₂C 的弹性性质、电子结构和热力学性质.分析表明, 弹性常数、体弹模量、剪切模量、杨氏模量和弹性各向异性因子的外压力效应明显. 电子态密度(DOS)的计算结果显示, 在费米能级(E_F)处的 DOS 峰随外界压强的增大显著降低, 由于 ErNi₂B₂C 相对较高的超导温度(T_c)起因于E_F处的 DOS 峰, 因此推测压强增大可能会降低 ErNi₂B₂C 的 T_c.类似的现象在超导材料 MgB₂和 SrAlSi 中已被发现.此外, 基于准谐德拜模型, 对 ErNi₂B₂C 在高温高压下的热力学性质的研究表明, 在一定范围内, 温度和压强将对其热膨胀系数和热容产生明显的影响. 关键词： 高压 弹性性质 电子结构 热力学性质     

Magnetic and optical properties of Cu-doped ZnO nanosheet: First-principles calculations

We performed first-principles calculations within density-functional theory to study the magnetic and optical properties of Cu-doped ZnO nanosheet (NS). We found that Cu atom prefers to substitute for Zn site and can induce a local magnetic moment of 1.00 μ_B per unit in ZnO NS. When two Zn atoms are substituted by two Cu dopants, they tend to form a cluster and ferromagnetic (FM) ordering becomes energetically more favorable. In addition, localized states appear within the band gap due to the introduction of Cu dopant to ZnO NS. With increasing Cu concentrations, both the imaginary part of dielectric function and the absorption spectrum exhibit a red-shift behavior, which are in good agreement with the recent experimental results. The ferromagnetic coupling can be attributed to the p–d hybridization mechanism. The intriguing properties of Cu-doped ZnO NS may be promising for designing novel multifunctional nanodevice.     

MoP在高压下的电子,声子和电声耦合性质的第一性原理计算

使用第一性原理方法,研究了拓扑材料MoP在高压下的电子结构和晶格动力学行为.高压下MoP的晶体结构和费米面附近的电子能带相对稳定,但是声子能谱以及电声子耦合参数随着压强的增大有明显的变化.声子谱中高频光学支逐渐硬化,低频声学支中也有部分出现明显软化,体系的电声子耦合随压强的增大而逐步变强,导致超导转变温度从常压下的零提高到30 GPa时的0.16 K,最后在50 GPa时提高到1.21 K,与实验的变化趋势基本一致.研究揭示了高压下MoP中出现的超导现象主要是电声子耦合造成的,为理解实验观测到的拓扑超导共存现象提供了一定的理论支持.