Na在B掺杂的空位石墨烯上吸附性能的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了本征石墨烯和B掺杂的空位石墨烯吸附Na原子的电荷密度、吸附能、态密度、储存量以及电极电压.结果表明,两种石墨烯中,Na原子的最佳吸附位置都是H位.B掺杂的空位石墨烯对Na原子的吸附能是-2.08 eV,比本征石墨烯对Na原子的吸附能(-0.71eV)低很多.B掺杂的空位石墨烯中Na原子与B原子发生轨道杂化,本征石墨烯中没有杂化现象.B掺杂的空位石墨烯能够吸附12个Na原子,较本征石墨烯多.因此,B掺杂的空位石墨烯更适合储钠.     

掺杂石墨烯吸附特性的第一性原理研究

利用第一性原理方法研究了一氧化碳分子在本征和硼、氮、铝、磷掺杂的有限尺寸石墨烯上的吸附机理.结果表明,石墨烯作为一氧化碳传感器时的性能依赖于掺杂元素.本征、硼和氮掺杂石墨烯吸附一氧化碳时的吸附能较低,为物理吸附.铝、磷掺杂石墨烯的吸附能显著提高,比本征、硼和氮掺杂时高出约一个数量级,且铝和磷原子从石墨烯中突出,使其发生局部弯曲.铝掺杂石墨烯增强了石墨烯与一氧化碳分子之间的相互作用,可以提高石墨烯的气敏性和吸附能力,是一氧化碳传感器的最佳候选材料之一.     

B、N、S掺杂石墨烯表面质子吸附的第一性原理研究

表面吸附是石墨烯中质子(H~+)输运的基础步骤.本文基于第一性原理计算研究了B、N、S掺杂对石墨烯表面H~+吸附行为的影响.结果表明,B、N、S掺杂对石墨烯的晶体结构、内聚能及电子性质有重要影响,且影响程度与掺杂元素的性质密切相关,进而导致对石墨烯表面H~+吸附行为产生不同程度的影响.从吸附能的观点看,N、B、S掺杂对石墨烯表面H~+的吸附有利.研究结果对石墨烯在氢贮存、氢同位素分离、燃料电池等领域的应用具有重要的指导意义.     

氮掺杂双层石墨烯吸附钠的第一性原理研究

采用密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,对Na在本征双层石墨烯(PBLG)和不同掺杂浓度的N掺杂石墨烯(NBLG)表面的吸附性质进行了研究.确定了不同N掺杂浓度时NBLG的最稳定N分布结构,计算了Na在PBLG和不同掺杂浓度的NBLG表面的吸附能.计算结果表明,N原子掺杂倾向于取代对位或次临近位置的C原子,并与下层C原子相对;随着N掺杂浓度的增加,吸附高度逐渐增加,且与掺杂N原子分布相匹配; Na在PBLG表面吸附使平均层间距增加,而在NBLG表面吸附使之减小; Na与C_(27)N_9表面的结合最稳定.     

硼掺杂双层石墨烯吸附钠的第一性原理研究

采用密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,对Na在本征双层石墨烯(PBLG)和不同掺杂浓度的B掺杂石墨烯(BBLG)表面的吸附性质进行了研究.确定了不同B掺杂浓度时BBLG的最稳定B分布结构,计算了Na在PBLG和不同掺杂浓度的BBLG表面的吸附能.计算结果表明,B原子掺杂倾向于占据上层中对位或次临近位置,并与下层中六边形碳环中心相对,B_4C_(32)的形成能最小;B掺杂浓度的增加使BBLG中上层石墨烯片层结构起伏增大,而对下层影响较小;Na在BBLG表面吸附高度和平均层间距受上层结构起伏影响显著;Na倾向于吸附在B_9C_(27)表面B原子的上方,使原始平面结构产生起伏,Na与B_9C_(27)表面的结合最稳定.     

钠在空位石墨烯上吸附性能的研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了本征石墨烯和空位石墨烯吸附钠原子的电荷密度、吸附能、态密度和储存量.结果表明,在两种石墨烯中,钠原子的最佳吸附位置都为H位.空位石墨烯对钠原子的吸附能是-2. 46 eV,约为本征石墨烯对钠原子吸附能的3. 4倍;钠原子与空位石墨烯中的碳原子发生轨道杂化,而与本征石墨烯没发生轨道杂化现象.存在一个空位的石墨烯能够吸附5个钠原子,与本征石墨烯相比显著提高.因此,空位石墨烯有望成为一种潜在的储钠材料.     

碱金属在石墨烯表面吸附,迁移行为的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了3种碱金属(Li,Na,K)在石墨烯表面的吸附性质,迁移行为和电学性质.结果表明:3种碱金属在石墨烯表面的最稳定吸附位都是H位;吸附过程中电荷由碱金属原子向石墨烯片层转移.Li→Na→K,吸附能先减小再增大,吸附的强弱顺序为Li-石墨烯体系K-石墨烯体系Na-石墨烯体系;体系的离子性逐渐增强;碱金属原子在石墨烯表面的迁移激活能逐渐降低,迁移行为更容易实现.     

碱金属在石墨烯表面吸附，迁移行为的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了3种碱金属（Li,Na,K）在石墨烯表面的吸附性质,迁移行为和电学性质。结果表明：3种碱金属在石墨烯表面的最稳定吸附位都是H位;吸附过程中电荷由碱金属原子向石墨烯片层转移。Li→Na→K,吸附能先减小再增大,吸附的强弱顺序为Li−石墨烯体系强于K −石墨烯体系和Na−石墨烯体系;体系的离子性逐渐增强;碱金属原子在石墨烯表面的迁移激活能逐渐降低,迁移行为更容易实现。     

碱金属在石墨烯表面吸附，迁移行为的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了3种碱金属（Li,Na,K）在石墨烯表面的吸附性质,迁移行为和电学性质。结果表明：3种碱金属在石墨烯表面的最稳定吸附位都是H位;吸附过程中电荷由碱金属原子向石墨烯片层转移。Li→Na→K,吸附能先减小再增大,吸附的强弱顺序为Li−石墨烯体系强于K −石墨烯体系和Na−石墨烯体系;体系的离子性逐渐增强;碱金属原子在石墨烯表面的迁移激活能逐渐降低,迁移行为更容易实现。     

五角石墨烯吸附H2S的第一性原理计算

硫化氢作为一种神经毒物和腐蚀性气体污染物,严重威胁人体健康并限制工业的发展.本文采用第一性原理计算的方法,研究了H₂S气体分子在原始五角石墨烯、非金属掺杂及金属掺杂五角石墨烯上的吸附行为.详细计算了H₂S气体分子与五角石墨烯之间的吸附构型、吸附能及电荷转移.结果表明:1)原始五角石墨烯和非金属元素掺杂五角石墨烯与H₂S气体分子间仅为微弱的物理吸附,无法直接用于吸附H₂S气体;2) Co、Ni、Cu及Ti掺杂的五角石墨烯对H₂S气体的吸附作用显著增强.当金属掺杂在sp~2C位置时,掺杂五角石墨烯对H₂S气体的吸附效果较好,此时的吸附均为化学吸附;3) Co、Ni、Cu及Ti掺杂的五角石墨烯均可作为H₂S气体的传感/捕获材料.其中Cu掺杂五角石墨烯吸附H₂S气体的效果最好.本文的研究结果对设计开发基于五角石墨烯的H₂S气体传感/捕获材料提供了理论指导.     

Fe,Co,Ni掺杂石墨烯表面吸附C_2H_4的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA),本文对本征石墨烯以及掺杂Fe,Co,Ni石墨烯的几何结构和电子性质进行了优化计算,并计算了C_2H_4在本征石墨烯以及掺杂石墨烯表面的吸附过程,讨论了体系的吸附能、稳定性、DOS及掺杂对键长的影响.结果表明C_2H_4在本征石墨烯B位的吸附和掺杂石墨烯的吸附为化学吸附,在本征石墨烯T和H位的吸附为物理吸附;掺杂后石墨烯的比表面积增大,与本征石墨烯相比,掺杂使费米能级附近的态密度积分显著提高,表明掺杂石墨烯的电导性会发生变化,从而影响对C_2H_4的气敏度..C_2H_4在Fe、Co、Ni分别掺石墨烯的最佳吸附位为T位、H位和B位;掺杂Fe,Ni后体系的吸附能力显著提高,且掺杂Ni时体系的吸附能力最好.     

石墨烯吸附钛原子的第一性原理研究

基于密度泛函理论研究了单个钛原子分别位于本征石墨烯GR、点缺陷石墨烯（包括空位石墨烯DGR和氮掺杂石墨烯N-GR）薄片表面的吸附机理。通过计算钛原子在本征石墨烯表面不同位置时的吸附结构和吸附能,发现最稳定吸附位置是碳六元环的中心;计算了各个吸附体系的吸附能、态密度和差分电荷密度,研究表明三个吸附体系碳钛间均产生了电子轨道杂化,掺氮后的石墨烯对钛原子的吸附性能略微增强,而空位石墨烯对钛的吸附能是本征石墨烯的4倍,费米能级附近电子态局域化程度最大,吸附效果最好。     

Manipulation of inherent characteristics of graphene through N and Mg atom co-doping; a DFT study

First-principles calculations were performed to investigate the structural, electronic, magnetic and optical properties of nitrogen (N) and magnesium (Mg) atom co-doped graphene systems. We observed that, N and Mg atom co-doping in graphene, introduces half-metallic properties in the electronic structure of graphene, introduces ferromagnetism behavior along with new trends in optical properties of graphene. Doping site and concentration of N and Mg atoms in graphene was changed and resulting effects of these changes on aforementioned properties were investigated. Through density of states plots we observed that, Mg atom sp orbitals mainly induced magnetic moments in graphene. It was revealed that, N/Mg atoms substitution in graphene introduces a red shift in absorption spectrum towards visible range and a finite absorption coefficient quantity value in 0 to 3 eV and 7 to 11 eV energy intervals is also produced, that is unavailable for absorption spectrum of intrinsic graphene. Moreover, N/Mg atoms co-doping produces increment in the reflectivity parameter of graphene in low lying energy region, while producing diminishing behavior in the higher energy range. These results offer a possibility to tune electronic, magnetic and optical characteristics of graphene sufficiently for utilization in graphene based spintronic and optoelectronic devices.     

掺杂硅烯吸附CO分子的第一性原理研究

硅烯具有独特的电子、光学、热学、力学以及量子特性,在电子器件、电极材料、储氢材料、催化剂和气体传感器等领域有巨大的潜在应用价值.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,利用Materials Studio软件中的CASTEP程序包对硅烯与CO分子之间的吸附行为进行了研究.重点研究了硅烯掺杂方式、CO分子吸附构型及硅烯空位缺陷浓度对CO分子吸附的影响,研究结果表明：1)空位缺陷硅烯对CO分子的吸附能力最强;2)碳原子垂直朝向空位缺陷硅烯更有利于CO分子的吸附;3)硅烯对CO分子的吸附能力随其空位浓度的增加显著增强;4)空位硅烯向CO分子转移电荷,电荷转移量与二者的吸附作用强弱呈正相关.该研究可为硅烯基CO气体传感器的设计提供理论指导.     

石墨烯纳米片电子结构和量子输运特性第一原理研究

用基于密度泛函理论的原子紧束缚方法计算研究单层石墨烯纳米圆片和纳米带的电子结构,并结合第一原理和非平衡函数法计算量子输运特性.通过电子能态和轨道密度分布研究纳米碳原子层的电子成键状态,结合电子透射谱、电导和电子势分布分析电子散射与输运机制.石墨烯纳米带和纳米圆片分别呈现金属和半导体的能带特征,片层边缘上电极化分别沿垂直和切向方向,电子电导出现较大的差异,来源于石墨烯纳米圆片边缘的突出碳原子环对电子的强散射.石墨烯纳米带的电子透射谱表现为近似台阶式变化并在费米能级处存在弹道电导峰,而石墨烯纳米圆片的电子能带和透射谱在费米能级处开口并且因量子限制作用呈现更加离散的多条高态密度窄能带和尖锐谱峰.     

Fe掺杂碳纳米管吸附甲硝唑的第一性原理计算

甲硝唑(MNZ)的滥用对水环境造成了严重的污染.本文采用第一性原理计算的方法,研究了单壁碳纳米管(CNT)和Fe掺杂碳纳米管(Fe-CNT)对MNZ的吸附作用.分别计算了单壁CNT和Fe-CNT与MNZ的吸附结构、吸附能、电子轨道、电荷转移、态密度等.结果表明原始CNT对MNZ吸附作用较弱,而Fe-CNT与MNZ的相互作用明显增强.因此,Fe-CNT有望成为吸附水中污染物MNZ的候选材料.     

Electronic and magnetic behaviors of graphene with 5d series transition metal atom substitutions: A first-principles study

The electronic structures and magnetic behaviors of graphene with 5d series transition metal atom substitutions are investigated by performing first-principles calculations. All the impurities are tightly bonded to single vacancy in a graphene sheet. The substitutions of La and Ta lead to Fermi level shifting to valence and conduction band, respectively. Both the two substitutions result in metallic properties. Moreover, the Hf, Os and Pt-substituted systems exhibit semiconductor properties, while the Re and Ir-substituted ones exhibit robust half-metallic properties. Interestingly, W-substituted system shows dilute magnetic semiconductor property. On the other hand, the substitution of Ta, W, Re and Ir induce 0.86 μ_B, 2 μ_B, 1 μ_B and 0.99 μ_B magnetic moment, respectively. Our studies demonstrate that the 5d series transition metal substituted graphene have potential applications in nanoelectronics, spintronics and magnetic storage devices.     

CO分子在Co(0001)表面吸附的第一性原理研究

应用第一性原理对CO分子在Co(0001)表面( squar3× squar3)R30°−CO吸附结构进行不同形式的密度泛函计算研究. 结果表明：吸附能修正前,仅RPBE泛函预测CO顶位吸附;而修正后PW91、PBE和PKZB泛函结果也表明CO分子Top顶位吸附最稳定,与实验结果一致.对于吸附几何结构、吸附前后体系功函、C-O伸缩振动频率和CO分子态密度分布,所有泛函给出一致的结果,且与已有实验结果符合.