石墨烯纳米带卷曲效应对其电子特性的影响

石墨烯纳米带 (GNRs) 是一种重要的纳米材料, 碳纳米管可看作是GNRs卷曲而成的无缝圆筒. 利用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 系统研究了GNRs卷曲变形到不同几何构型时, 其电子特性, 包括能带结构 (特别是带隙) 、态密度、透射谱的变化规律. 结果表明: 无论是锯齿型GNRs (ZGNRs) 或扶手椅型GNRs (AGNRs), 在其卷曲成管之前, 其电子特性对卷曲形变均不敏感, 这意味着GNRs的电子结构及输运特性有较强地抵抗卷曲变形的能力. 当GNRs 卷曲成管后, ZGNRs和AGNRs表现出完全不同的性质, ZGNRs几乎保持金属性不变或变为准金属; 但AGNRs的电子特性有较大的变化, 出现不同带隙半导体、准金属之间的转变, 这也许密切关系到碳纳米管管口周长方向上的周期性边界条件及量子禁锢的改变. 这些研究对于了解GNRs电子特性的卷曲效应、以及GNRs与碳纳米管电子特性的关系 (结构与特性的关系) 有重要意义. 关键词： 石墨烯纳米带 卷曲效应 电子特性 密度泛函理论     

氧原子在Pt(111)表面和次表层的吸附与扩散

氧原子在Pt表面的吸附和扩散是理解氧化和腐蚀等问题的基础.基于密度泛函理论和周期平板模型研究了氧原子在Pt(111)表面及次表层的吸附,通过扫描隧道显微镜(STM)的理论计算分析了吸附的结构特征.采用CI-NEB方法讨论了氧原子在Pt(111)表面和次表层的扩散过程.研究结果表明氧原子在Pt(111)表面的扩散比较容易,而氧原子向次表层的扩散相对较难,这主要是因为次表层的扩散需要经过一个Pt原子层,必须克服一定的能垒,从而说明过渡金属Pt具有很强的抗氧化性.     

石墨烯层间纳米摩擦性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了纳米尺度下石墨烯层间摩擦现象, 探讨了对称和非对称两种情况下双层石墨烯层间沿不同方向的摩擦性质. 研究发现对于对称的双层石墨烯, 层间摩擦沿不同方向同性; 摩擦因数依赖于正压力, 随正压力增大, 摩擦因数的变化曲线分为三个阶段, 在较小以及较大压力下, 摩擦因数遵循Amonton法则不随压力变化而变化; 而在中间3-6 nN阶段, 摩擦因数随压力增加线性增加. 整个研究压力范围内摩擦因数在0.05-0.25之间. 对于非对称性双层石墨烯层间摩擦, 不同压力下摩擦因数在0.006上下波动, 摩擦因数较两层对称性石墨烯大大降低. 上述研究结果与实验一致.     

石墨烯基PtCu二元金属催化剂对甲醇吸附性能的理论研究

直接甲醇燃料电池作为最有潜力的能源越来越受到人们的关注。本文主要采用密度泛函理论（DFT),对石墨烯基PtCu催化剂吸附甲醇的结构进行了理论研究。通过分析甲醇吸附前后前线分子轨道、电荷和吸附能的变化,发现PtCu二元金属催化剂与甲醇相互作用中,甲醇容易吸附于Pt位点上。对于PtCu二元金属的Cu位点的吸附能力与纯Cu相比变化不大,但是PtCu二元金属的Pt位点相对于纯Pt催化剂对甲醇的吸附能力却有明显的提高。因此Cu的掺杂对于提高Pt位点的活性起到促进作用     

羟基饱和锯齿型石墨烯纳米带的电子结构

利用密度泛函理论,计算了羟基饱和锯齿型石墨烯纳米带(OH-ZGNRs)的相对稳定性和外加横向电场对其电子结构的影响.计算结果表明:OH-ZGNRs比氢饱和ZGNRs(H-ZGNRs)更为稳定,具有窄带隙自旋极化基态.此外,在外加横向电场作用下,OH-ZGNRs可实现半导体到半金属相转变. 关键词： 石墨烯纳米带 密度泛函理论 电场     

不同N掺杂构型石墨烯的量子电容研究

超级电容器是一种利用界面双电层储能或在电极材料表面及近表面发生快速可逆氧化还原反应而储能的装置, 其特点是功率密度高、循环寿命长. 制备出兼有高能量密度的电极材料是当前超级电容器研究的重点. 以提高电容储能为目标, 通过掺杂N原子来调制石墨烯的电子结构, 使用基于密度泛函理论的第一原理计算了不同N掺杂构型石墨烯的态密度和能带结构, 拟合出了石墨烯的量子电容, 分析了量子电容储能提升的原因.     

Cr/Ti掺杂石墨烯活化CO2分解的理论研究

为筛选更高效的CO2分解还原的催化材料,采用密度泛函理论中的B3LYP方法结合6-31G(d)基组,研究了Cr、Ti掺杂石墨烯对CO2分子的吸附与催化分解的机理.研究结果表明：CO2分子在Cr元素和Ti元素掺杂石墨烯表面的吸附为放热过程,吸附能分别为28.3kcal/mol和7.7kcal/mol,两种元素掺杂石墨烯催化CO2分子中C-O断裂的活化能分别为15.5kcal/mol和7.8kcal/mol,反应过程遵循插入-消除原理,计算结果为CO2还原的催化剂设计提供理论指导.     

非对称氧掺杂对石墨烯/二硒化钼异质结肖特基势垒的调控

在纳米逻辑器件中,制造低的肖特基势垒仍然是一个巨大的挑战.本文采用密度泛函理论研究了非对称氧掺杂对石墨烯/二硒化钼异质结的结构稳定性和电学性质的影响.结果表明石墨烯与二硒化钼形成了稳定的范德瓦耳斯异质结,同时保留了各自的电学特性,并且形成了0.558 eV的n型肖特基势垒.此外,能带和态密度数据表明非对称氧掺杂可以调控石墨烯/二硒化钼异质结的肖特基接触类型和势垒高度.当氧掺杂在界面内和界面外时,随着掺杂浓度的增大,肖特基势垒高度都逐渐降低.特别地,当氧掺杂在界面外时, n型肖特基势垒高度可以降低到0.112 eV,提高了电子的注入效率.当氧掺杂在界面内时, n型肖特基接触转变为欧姆接触.平面平均电荷密度差分显示随着掺杂浓度的增大,界面电荷转移数量逐渐增多,导致费米能级向二硒化钼导带底移动,证实了随着氧掺杂浓度增大肖特基势垒逐渐降低,并由n型肖特基向欧姆接触的转变.研究结果将对基于石墨烯的范德瓦耳斯异质结肖特基势垒调控提供理论指导.     

功能化石墨烯对亚甲基蓝染料吸附的密度泛函理论研究

由于染料在食品,印刷,纺织等行业的广泛应用,水中的染料被广泛发现,染料污染是造成水污染的重要原因之一,因此,对于水中染料进行前处理变得尤为重要.石墨烯和功能化石墨烯的吸附性能可以被应用于水中染料的检测和去除.本研究采用密度泛函理论方法详细探讨了纯石墨烯和功能化石墨烯对亚甲基蓝有机染料污染物的吸附机理.研究结果表明,纯的石墨烯和功能化石墨烯表面对亚甲基蓝染料均有一定程度的吸附,其中环氧原子,羧基和羟基功能化的石墨烯对亚甲基蓝的吸附能力较纯石墨烯吸附能力强,其次是环氧,羧基和羟基三者共同功能化的石墨烯吸附能力最强.研究结果有望为石墨烯材料在有机染料的吸附应用方面提供有意义的理论指导.     

Crystal chemistry of molybdenum phosphides from density functional theory calculations

The structures, bonding and relative thermodynamic stabilities of the crystalline molybdenum phosphides Mo₃P, Mo₈P₅, Mo₄P₃, MoP, MoP₂, MoP₄, have been investigated by density functional theory calculations. The elastic stiffness coefficients for MoP and MoP₂ have been predicted.     

二维二元碳化硅纳米结构的等离激元激发

基于含时密度泛函理论,研究两种构型的二维二元碳化硅（SiC）纳米结构的等离激元激发.SiC纳米结构有两个等离激元共振带.由于键长的改变,相对于硅烯纳米结构和石墨烯纳米结构,SiC纳米结构的两个等离激元共振带分别发生蓝移和红移.一种SiC纳米结构的等离激元共振激发依赖于边界的构型和纳米结构形貌;另一种SiC纳米结构的等离激元共振激发对于边界构型和纳米结构形貌的依赖性降低.沿不同方向激发时,等离激元共振特性基本相同.     

高压下Fe3C的磁性和声速性质

采用基于密度泛函理论的包含自旋极化效应的广义梯度近似方法研究了Fe₃C的高压弹性和声学性质. Fe₃C在压力作用下由铁磁基态转变到非磁性的高压态,相变压力约为73 GPa. 计算了Fe₃C 的Hugoniot线,并根据沿Hugoniot线的弹性常数计算了铁磁状态和非磁性状态的声速. 对比Fe单质,非磁性Fe₃C 的压缩波和剪切波声速与地核的地震波数据更为接近,证实了C元素是构成地核的一种成分.     

Silicon carbide nanocones: Computational analysis of chemical shieldings for pristine and boron/nitrogen decorated models

Density functional theory (DFT) calculations were performed to investigate the electronic and structural properties of pristine and boron/nitrogen (B/N) decorated models of a representative silicon carbide nanocone (SiCNC). The atoms of apexes and tips were differently decorated by B/N atoms to make all possible decorations of the investigated SiCNC. The evaluated parameters by the optimization processes and nuclear magnetic resonance (NMR) calculations indicated that the overall and atomic scale properties of the investigated SiCNCs are significantly dependent on the ways of decorations of Si/C atoms by B/N atoms. The Si/C atoms close to the decorated regions also exhibited notable changes in comparison to the pristine model.     

First-principles study of C chemisorption and diffusion on the surface and in the subsurfaces of Ni(1 1 1) during the growth of carbon nanofibers

First-principles calculations based on density functional theory and the generalized gradient approximation have been used to study the C chemisorption and diffusion on the surface and in the subsurfaces of Ni(1 1 1). The threefold Hcp site is observed to be preferred by the C adsorption on Ni(1 1 1) surface while in the subsurfaces, the octahedral site is more energetically favorable than the tetrahedral site and all surface adsorption sites. The calculated binding energies have been compared with the previous experimental and theoretical results and good agreement is found. Minimum energy paths for the C diffusion between different adsorption sites are also investigated using the nudged elastic band method. It is predicted that if the C surface diffusion rate is higher than the production rate of C atoms during the growth of carbon nanofibers and the C concentration is low at the Ni surface, the generated C atoms are likely to diffuse on the catalyst surface predominantly because of the lowest energy barrier, while if the generated C production rate is higher and some adsorption sites are blocked by the accumulated carbon, the C atoms may diffuse both on the surface and in the subsurfaces simultaneously.     

边界修饰醚基的锯齿形石墨烯纳米条带的场发射的第一性原理研究

采用一种基于密度泛函理论计算的自洽方法研究了边界修饰有C-O-C醚基的锯齿形石墨烯纳米条带(包括边界有连续的醚基ZGNR-CE和50%覆盖度的醚基ZGNR-AE)的电子场发射特性. 模拟结果显示两种纳米条带的场发射主要由布里渊区中心且靠近费米面的电子态所决定. 因为具有较低的功函数,ZGNR-CE条带能产生比未修饰的重构锯齿形石墨烯纳米条带强很多的场发射电流;而ZGNR-AE条带有着几乎完全自旋极化的场发射电流,尽管电流不够强. 另外在较低的外电场下,单轴方向的外加应变能有效调控它们的场发射电流,但ZGNR-AE条带的高自旋极化保持不变. 通过分析这些条带的功函数、能带结构以及结合边界电偶极模型,揭示了相关机制.     

Structural and electronic properties of the TiC nanotubes: Density functional-based tight binding calculations

Atomic models of the hypothetical single- and multi-walled cylindrical- and prismatic-like TiC nanotubes have been constructed and their structural and electronic properties have been studied by means of density functional-based tight binding (DFTB) method. The electronic bands, densities of states and binding energies are analyzed as a function of the TiC tubes sizes. Our calculations showed that TiC nanotubes are semiconducting, in contrary to the metallic-like crystalline TiC, and the band gaps tend to vanish as the number of tube walls increase.     

金属原子修饰石墨烯体系催化性能的理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了单个CO和O2气体分子在金属原子修饰石墨烯表面的吸附和反应过程.结果表明:空位缺陷结构的石墨烯能够提高金属原子的稳定性,金属原子掺杂的石墨烯体系能够调控气体分子的吸附特性.通入混合的CO和O2作为反应气体,石墨烯表面容易被吸附性更强的O2分子占据,进而防止催化剂的CO中毒.此外,对比分析两种催化机理(Langmuir-Hinshelwood和Eley-Rideal)对CO氧化反应的影响.与其它金属原子相比,Al原子掺杂的石墨烯体系具有极低的反应势垒(0.4 e V),更有助于CO氧化反应的迅速进行.     

金属原子修饰石墨烯体系催化性能的理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了单个CO 和O2气体分子在金属原子修饰石墨烯表面的吸附和反应过程. 结果表明: 空位缺陷结构的石墨烯能够提高金属原子的稳定性, 金属原子掺杂的石墨烯体系能够调控气体分子的吸附特性. 通入混合的CO和O2作为反应气体, 石墨烯表面容易被吸附性更强的O2分子占据, 进而防止催化剂的CO 中毒. 此外, 对比分析两种催化机理(Langmuir-Hinshelwood和Eley-Rideal)对CO氧化反应的影响. 与其它金属原子相比, Al原子掺杂的石墨烯体系具有极低的反应势垒(< 0.4 eV), 更有助于CO氧化反应的迅速进行.     

Activation mechanisms of silver toward CO oxidation by tungsten carbide substrate: A density functional theory study

The development of efficient catalysts for low temperature CO oxidation is important to the application of fuel cells. In this work, we report that the Ag monolayer on WC (0001) surface (Ag_ML/WC) could effectively catalyze CO oxidation through the L-H mechanism (CO + O₂ → OOCO → CO₂ + O). The most sluggish reaction step is suggested to be CO + O → CO₂ with a barrier of 0.48 eV, which is 1.21 eV lower than the barrier of O₂ dissociation. The electronic structure and d-band center analyses demonstrate that the promoted activity may originate from the synergistic effect between Ag monolayer and WC. The present study is conducive to design new efficient and cost-effective catalysts for CO oxidation without using of the noble platinum.