第一性原理计算研究黑磷嵌锂态的动力学性能

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对锂离子电池负极材料黑磷在嵌锂过程中的产物LiP5,Li3P7以及LiP的晶体结构与电子结构进行了研究与分析．通过计算这几种材料的电子结构,发现黑磷嵌锂后的这几种相均为半导体能带结构,其带隙均比黑磷嵌锂前的带隙大,表明黑磷嵌锂后的电子电导性能降低了．利用弹性能带方法模拟了Li离子在LiP5,Li3P7和LiP材料中的扩散,从理论上得到了Li离子的扩散势垒,并与其他电极材料进行了比较,发现Li离子在各种嵌锂态的材料中都能够比较快速的扩散．计算结果表明,Li在LiP5中的扩散系数大约为10^-4cm2／s,扩散通道是一维的;Li在Li3P7中的扩散系数为10^-7-10^-6cm2／s,扩散通道是三维的;Li在LiP中的扩散系数为10^-8-10^-5cm2／s,扩散通道是三维的．     

锂离子电池电极材料的第一性原理研究进展

文章综述了第一性原理计算在锂离子电池电极材料模拟与设计方面的研究进展.电极材料的研究包括电极材料的电子结构和电子导电性的研究,嵌锂电位、锂离子输运特性、嵌锂过程中局部结构弛豫与相变以及材料表面特性研究等方面,第一性原理计算在上述诸方面的研究都取得了一定的进展.这些理论上的研究成果,可以帮助人们加深对材料性能与机理的理解,同时对材料的设计也具有指导意义.     

Mn掺杂LiFeP04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,计算了不同Mn掺杂浓度LiFel-xMn。P04（X=0,0．25,0．50,0．75）的电子结构．同时采用流变相辅助高温固相碳热还原法制备了LiFel-xMn。P04@=0,0．25,O．50,0．75）材料．理论计算表明：LiFeP04具有Eg=O．725eV的带隙宽度,为半导体材料．通过Fe位掺杂25％的Mn离子可最大程度地减小材料带隙宽度、降低Fe-0键及Li-O键键能,进而提高材料的电子电导率及锂离子扩散速率．实验结果亦表明,当Mn掺杂量0=0．25时,材料具有最优的电化学性能,其具有约为158mAh．g。的放电比容量以及551Wh．kg0的能量密度．理论计算与实验结果非常符合．     

二聚物在Cu表面上的扩散和解离研究

利用分子动力学模拟统计了几种不同温度下三种不同二聚物(Cu₂, Ag₂和Pd₂)在铜衬底(100), (111)表面上的扩散和解离行为, 探讨同质和异质二聚物在Cu表面上扩散和解离的特点; 采用分子动力学中的静态计算方法计算了这三种二聚物在扩散和解离过程中的能量势垒, 并与动力学模拟、二聚物与衬底的结合能等结果进行了比较, 探讨二聚物扩散和解离过程与扩散势垒、结合能、表面性质和温度等的关系. 原子间相互作用采用半经验EAM势. 结果表明: 同质和异质二聚物在各个不同表面上的扩散势垒、解离势垒有一定的规律, 并和二聚物与衬底的结合性质有关; 二聚物是否易解离与衬底表面的结构以及二聚物与衬底的结合性质关系密切; 二聚物解离前协同扩散的快慢与二聚物和衬底的结合性质以及二聚物在表面的扩散和解离势垒密切相关.     

稀土掺杂对LiFePO4性能影响的第一性原理研究

掺杂是提高LiFePO4体相电子电导率, 优化其电化学性能的重要方法之一. 稀土元素因具有高的电子电荷、大的离子半径以及强的自极化能力, 成为掺杂改性的重要选择. 本文利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了稀土元素 (La, Ce, Pr) 掺杂的锂离子电池正极材料LiFePO4的性质. 计算结果表明, 稀土元素掺...     

铜钨合金高温高压性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了三种不同比例铜钨合金(Cu3W,Cu W,Cu W3)的基态及高温、高压下的电子结构、弹性性质和热力学性质.弹性常数计算结果表明Cu3W为结构不稳定相,Cu W和Cu W3为结构稳定相,与声子色散曲线得到的结论一致.通过对态密度的分析,发现随压强的增大,金属键键能增大,并且态密度有向深能级移动的趋势.通过准简谐德拜模型和准简谐近似模型分别计算、分析和对比了三种铜钨合金在不同温度和压强下的体弹模量、热膨胀系数、德拜温度和比热容.     

集流体塑性变形对锂离子电池双层电极中锂扩散和应力的影响

针对锂离子电池双层电极结构,建立了综合考虑锂扩散、应力、浓度影响的材料属性及集流体弹塑性变形的理论模型.基于所建立的模型,主要研究了在充电过程中集流体可能发生的塑性变形对电极中锂扩散及应力的影响.数值结果表明集流体的塑性变形会减弱其对活性层的约束,这不仅使得集流体和活性层中的应力得到明显缓解,而且还促进了锂在活性层中的扩散,提高了活性层的有效容量.与此同时,研究了集流体的屈服强度和塑性模量这两个参数的影响,结果表明,较小的屈服强度和较小的塑性模量能进一步弱化约束,松弛电极活性层中的应力,并增加其有效充电容量.研究结果为分层电极的结构设计和性能优化提供了一定的参考.     

锂离子电池放电循环的发热特性研究

锂离子电池发热特性的研究对于发展电池热管理系统具有重要意义.本文采用数值方法对锂电池放电过程中的微观发热特性进行了研究,并对锂电池放电循环过程中固体电解质(SEI)膜和欧姆热的变化规律进行了分析,研究结果表明:锂电池以高倍率(5C)放电时,SEI膜产生的热量是锂电池发热的重要部分;随着放电循环的进行,锂电池负极颗粒表面SEI膜以线性规律增厚,导致电池SEI膜电阻不断增大;锂电池放电环境温度越高,锂电池负极SEI膜增厚越快,容量衰退越快。     

Mg~(2+)掺杂锰酸锂的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法对Mg~(2+)掺杂锰酸锂的晶格常数与能带结构、态密度、键布居进行计算和分析,计算结果表明:掺杂Mg~(2+)后将会促使Mn、 O原子的电荷重新分布且其相互作用加强,能带带隙减小,费米能级附近的带数增加,费米能由-1.29 eV增加到-1.02 eV, Mn、 O、 Mg在总态密度中贡献比较大,锂离子贡献比较小且峰型尖锐局域化严重,提高了Li~+的扩散效率, Mn—O键变短,共价性增强,形成的共价键较稳定,其相互作用形成的骨架较稳定不易坍塌.从而提高了材料的循环充放电性能和电池使用寿命.     

硅纳米团簇与石墨烯复合结构储锂性能的第一性原理研究

本文采用第一性原理计算方法, 研究了不同晶向硅纳米团簇与石墨烯复合结构稳定性及其储锂性能. 计算了不同高度、大小硅团簇与石墨烯复合结构的结合能, 复合结构中嵌锂吸附能和PDOS. 分析表明, 硅团簇和石墨烯之间形成较强的Si—C键, 其中[111]晶向硅团簇与石墨烯作用的形成能最高, 结构最为稳定. 进一步计算其嵌锂吸附能, 发现硅团簇中靠近石墨烯界面处的储锂位置更加有利于锂的吸附, 由于锂和碳、硅之间有较强电荷转移, 其吸附能明显大于其他储锂位置. 同时在锂嵌入过程中, 由于石墨烯的引入, 明显减小了界面处硅的形变, 有望提高其作为锂电池负极材料的可逆容量.     

In掺杂氮化亚铜薄膜的电学、光学和结构特性研究

采用射频磁控溅射方法, 在低功率和低温条件下利用纯氮气作为反应溅射气体制 备出不同In含量的三元氮化物Cu_xIn_yN薄膜. 研究发现In掺杂浓度对薄膜微结构、形貌、表面化学态以及光学特性有灵敏的调节作用. 光电子峰、俄歇峰、俄歇参数的化学位移变化从不同角度揭示了不同含量In掺杂引 起的原子结合情况的变化. XPS结果显示In含量小于8.2 at.%的样品形成了Cu-In-N键. 对In含量为4.6 at.%的样品进行XRD和TEM结构测试, 实验结果肯定了In原子填充到Cu₃N的反ReO₃结构的体心位置. 并且当In含量增至10.7 at.%时, 薄膜生长的择优取向从之前占主导地位的(001)方向转变为(111)方向. 此外, 随着In含量的增加, 薄膜的R-T曲线从指数形式变为线性. 当In含量为47.9 at.%时, 薄膜趋于大温区恒电阻率材料, 电阻温度系数TCR仅为-6/10000. 光谱测量结果显示In摻杂使得氮化亚铜掺杂薄膜的光学帯隙从间接帯隙变为直接帯隙. 由于Burstein-Moss效应, 帯隙发生蓝移, 从1.02 eV 到2.51 eV, 实现了帯隙连续可调. 关键词： 三元氮化物 薄膜 光学特性 氮化亚铜     

同位素示踪法研究铜薄膜在水汽中的氧化传质机理

采用H¹⁶₂O/H¹⁸₂O接续氧化并结合同位素示踪方法,研究了铜薄膜在水汽中氧化的传质机理.将真空热蒸发制备的铜薄膜样品,分别在H¹⁶₂O,H¹⁸₂O中以及H¹⁶₂O/H¹⁸₂O接续进行氧化处理;利用X射线衍射(XRD)研究了氧化产物的形态和结构 关键词： 同位素示踪 短路扩散 铜薄膜 18₂O')" href="#">H¹⁸₂O     

Kinetic pathways of diffusion and solid-state reactions in nanostructured thin films

Mass transport and solid-state reactions in nanocrystalline thin films are reviewed. It is illustrated that diffusion along different grain boundaries (GBs) can have important effects on the overall intermixing process between two pure films. These processes can be well characterized by a bimodal GB network, with different (fast and slow) diffusivities. First the atoms migrate along fast GBs and accumulate at the film surface. These accumulated atoms form a secondary diffusion source for back diffusion along slow boundaries. Thus the different GBs of the thin films can be gradually filled up with the diffusing atoms and composition depth profiles reflect the result of these processes. Similar processes can be observed in binary systems with intermetallic layers: instead of nucleation and growth of the reaction layer at the initial interface, the reaction takes place in the GBs and the amount of the product phase grows by the motion of its interfaces perpendicular to the GBs. Thus, the entire layer of the pure parent films can be consumed by this GB diffusion-induced solid-state reaction (GBDIREAC), and a fully homogeneous product layer can be obtained.     

Experimental study on microdeposition of the copper thin film by femtosecond laser-induced forward transfer

The morphologies of the deposited dots on the 40~nm-thick copper film by the femtosecond laser-induced forward transfer that depend on the irradiated laser fluence have been studied, and the variations of orderliness of the diameter of deposited dots on the quartz substrate and forward ablated dot on the donor substrate with increasing pulse fluence have been obtained experimentally. The experimental results show that a thinner copper film would generate larger-sized ablated dot and deposited dot at the threshold fluence for transfer. By x-ray diffraction measurement, it is demonstrated that the crystal form of the transferred copper films is unaltered and the size of the crystallites is diminished.     

Synthesis of pyrochlore tungsten trioxide thin film and electrochemical lithium intercalation

The pyrochlore tungstate thin film has been prepared by an autoclave hydrothermal method at a temperature of 200 °C. The film was characterized by X-ray diffractometry, X-ray photoelectron spectroscopy and scanning electron micrograph measurements, showing that pure pyrochlore phase of sodium tungstate containing a small amount of water was formed by heating the film at a temperature of 350 °C. The cyclic voltammetric and galvanostic measurements revealed that a reversible electrochemical lithium intercalation into the crystal lattice of pyrochlore tungstate film takes place with charge-discharge cycling. Furthermore, the thermodynamics and kinetics of electrochemical lithium intercalation into the pyrochlore sodium tungstate film were also studied.     

High performance Zn–Sn–O thin film transistors with Cu source/drain electrode

Zn–Sn–O (ZTO) thin film transistors (TFTs) were fabricated with a Cu source/drain electrode. Although a reasonably high mobility (μ_FE) of 13.2 cm²/Vs was obtained for the ZTO TFTs, the subthreshold gate swing (SS) and threshold voltage (V_th) of 1.1 V/decade and 9.1 V, respectively, were inferior. However, ZTO TFTs with Ta film inserted as a diffusion barrier, exhibited improved SS and V_th values of 0.48 V/decade and 3.0 V, respectively as well as a high μ_FE value of 18.7 cm²/Vs. The improvement in the Ta‐inserted device was attributed to the suppression of Cu lateral diffusion into the ZTO channel region. (© 2013 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

Thickness dependence of the optical constants of oxidized copper thin films based on ellipsometry and transmittance

Thin oxidized copper films in various thickness values are deposited onto quartz glass substrates by electron beam evaporation. The ellipsometry parameters and transmittance in a wavelength range of 300 nm–1000 nm are collected by a spectroscopic ellipsometer and a spectrophotometer respectively. The effective thickness and optical constants, i.e.,refractive index n and extinction coefficient k, are accurately determined by using newly developed ellipsometry combined with transmittance iteration method. It is found that the effective thickness determined by this method is close to the physical thickness and has obvious difference from the mass thickness for very thin film due to variable density of film.Furthermore, the thickness dependence of optical constants of thin oxidized Cu films is analyzed.     

Al/Cu薄膜真空扩散连接技术

针对惯性约束聚变（ICF）物理实验要求,提出并采用真空扩散连接技术,在高温环境下对Al/Cu薄膜进行连接研究。利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）仪以及台阶仪等方法对连接样品基体组织和表面质量进行分析。结果表明：铝铜薄膜通过界面原子间的范德华力、冶金结合以及界面反应实现无胶连接。     

Characteristics of sputtered Ta-B-N thin films as diffusion barriers between copper and silicon

Ta-B-N thin films were prepared by rf-magnetron sputtering from a TaB₂ target in N₂/Ar reactive gas mixtures and then used as diffusion barriers between Cu and Si substrates. In order to investigate the performance of Cu/Ta-B-N/Si contact systems, X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), four-point probe measurement, scanning electron microscopy (SEM), cross-sectional transmission electron microscopy (XTEM), and Auger electron spectroscopy (AES) depth profile were used. Results of this study indicate that the barrier characteristics are significantly affected by the nitrogen content. In addition, the failure mechanism for the Cu/Ta-B-N/Si contact systems is also discussed herein.     

离子束技术对氧化铪薄膜性能的影响

 在基底清洗、薄膜沉积和薄膜后处理三个阶段均采用离子束技术,制备了氧化铪薄膜,并对薄膜的光学性能、表面特性和激光损伤阈值特性进行测试和研究。结果表明,利用离子束技术清洗基底可以增强表面吸附;离子束辅助沉积在合适离子束能量下可以得到高堆积密度、高损伤阈值的薄膜;离子束后处理氧化铪薄膜可以降低表面粗糙度,改善抗激光损伤阈值。说明在三个薄膜制备阶段同时采用合适的离子束参数可以制备出结构致密、阈值高、表面粗糙度好的氧化铪薄膜。