非金属与金属原子共掺杂石墨烯体系的气敏特性研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了非金属N原子和金属原子(M=Mo,Al,Co,Fe,Au和Pt)共掺杂石墨烯体系(M-GN4)的电子结构和表面活性.研究发现:单个金属原子掺杂的GN4体系表现出不同的稳定性,相比掺杂的Au原子,其它的金属原子都具有很高的稳定性( 6. 0 e V).掺杂的金属原子失去电荷显正电性将有助于调控气体分子的吸附特性. Mo-GN4和Al-GN4衬底对吸附的O_2表现出较高的灵敏性,单个CO和O_2分子在Co-GN4和Fe-GN4衬底的吸附能差别较小.此外,吸附不同的气体分子能够有效地调控M-GN4体系的电子结构和磁性变化.     

气体分子在类石墨烯材料负载单个金属原子表面的吸附特性

采用密度泛函理论方法研究了不同种类和数量的气体小分子在类石墨烯材料(graphenylene)衬底支撑的金属原子(M=Co, Mo和Pd, gra-M)表面的吸附特性,系统地分析了吸附不同数量的NO和CO分子的稳定构型,吸附能,电荷转移量以及引起的体系电子结构和磁性变化.研究结果表明:1) NO、CO气体小分子的稳定吸附位在金属原子顶位,吸附物与衬底间的电荷转移量表明负载不同的金属原子能够有效地调制类石墨烯材料的气敏特性;2)单个和两个气体分子吸附能够引起gra-M体系的自旋电荷密度分布发生变化,进而使得气体吸附体系表现出不同磁矩大小.     

小分子吸附调控Ti掺杂石墨烯电子结构和磁性的密度泛函理论研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了气体分子CO、NO、NO_2和SO_2吸附对Ti掺杂石墨烯(Ti G)电子结构和磁性的调制.研究表明:Ti G对CO、NO、NO_2和SO_2分子的吸附作用较强,各分子与Ti原子键合并形成Ti-X键(X代表C、O、N原子);各分子的吸附可导致Gas@Ti G体系电磁性质明显改变:CO分子吸附基底后,虽未能引起CO@Ti G体系电子性质改变和磁性的产生,却能够有效调控该体系的带隙宽度;不同于CO分子,NO、NO_2和SO_2分子的吸附使得半导体性的Ti G基底转变为金属特性,但各体系磁性表征不同:NO@Ti G发生完全自旋极化,即NO分子与基底上均有自旋分布,且二者的自旋方向相同;顺磁性的NO_2分子吸附于Ti G基底时磁性消失;SO_2分子吸附于Ti G基底后自身产生磁性,但基底几乎未发生自旋极化,SO_2@Ti G呈现自旋极化的局域分布特征.由此,依据分子吸附后体系电磁性质特征的不同,可辨识被测气体分子.此项研究结果为高灵敏度和高选择性的石墨烯基气体传感器的设计提供理论参考.     

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.     

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.     

双层石墨烯吸附碱金属原子的第一性原理研究

基于密度泛函的第一性原理方法,研究了Li、Na、K和Rb碱金属原子吸附在双层石墨烯(BLG)表面的吸附能、迁移行为、电子性能. 研究发现,Li和Na原子在BLG表面吸附易形成团簇,K和Rb原子能够分散吸附. 碱金属原子在BLG表面的扩散能垒随原子半径的增加而减小. 碱金属原子吸附使电子部分转移至BLG,使体系Fermi能级贯穿导带,表现出金属性. 电荷密度差和电荷转移的分析表明,Li、Na、K和Rb与BLG表面以离子键结合.     

双层石墨烯吸附碱金属原子的第一性原理研究

基于密度泛函的第一性原理方法,研究了Li、Na、K和Rb碱金属原子吸附在双层石墨烯(BLG)表面的吸附能、迁移行为、电子性能.研究发现,Li和Na原子在BLG表面吸附易形成团簇,K和Rb原子能够分散吸附.碱金属原子在BLG表面的扩散能垒随原子半径的增加而减小.碱金属原子吸附使电子部分转移至BLG,使体系Fermi能级贯穿导带,表现出金属性.电荷密度差和电荷转移的分析表明,Li、Na、K和Rb与BLG表面以离子键结合.     

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。     

氮掺杂及水分子吸附碳纳米管电子场发射第一性原理研究

对闭口碳纳米管(CNT)顶端分层掺氮及吸附不同数目水分子体系,运用第一性原理研究了有电场存在时的电子场发射性能.结果表明：掺氮并吸附水分子的CNT结构稳定;外电场愈强、水分子数愈多,体系态密度(DOS)向低能端移动幅度愈大且最高分子占据轨道(HOMO)/最低分子空轨道(LUMO)能隙愈小.吸附能,DOS/LDOS,HOMO/LUMO及其能隙分析一致表明,第三层氮掺杂CNT吸附不同数目水分子体系的场发射性能最佳. 关键词： 氮掺杂 水吸附 密度泛函理论 电子场发射     

第一性原理计算Ni原子吸附在Al(111)表面原子结构和电子态

利用密度泛函理论和广义梯度近似研究镍吸附在Al(111)表面。在覆盖率为0.25ML下,分析了Ni吸附在Al(111)表面的面心立方洞位、六角密排洞位、顶位和桥位四个高对称位的原子结构和吸附能。比较不同高对称位的吸附能发现,六角密排洞位的吸附能最大,是5.76 eV,是最稳定的吸附位置。详细讨论了两个最低能量结构-三重洞位的电子结构、功函数、表面偶极距和Ni-Al键的特性。在费米能级附近,Ni-3d和Al-3s,3p轨道产生杂化,形成金属间化合键。由于吸附导致双金属体系表面偶极距和功函数的变化。我们发现：Ni原子与Al(111)表面原子间成建主要是共价键,没有表现出明显的静电荷跃迁,相应的产生非常小的表面偶极距。与面心立方洞位相比,六角密排洞位在费米能级附近产生较低的态密度,在键态附近产生较大的杂化。     

气体分子在Co-BN表面吸附的第一性原理研究

采用包含色散力校正的密度泛函理论(DFT-D)方法系统地研究了气体分子(O2, H2, NO, CO, CO2, SO2, H2S, H2O)在Co掺杂单层BN(Co-BN)表面的吸附, 分析了吸附小分子的几何结构, 吸附能, 电荷转移等情况. 结果表明: 1) CO等气体分子主要吸附在Co及其近邻六元环的顶位, 吸附结构的电荷转移表明掺杂原子Co对BN衬底的气敏特性有较好的调制作用; 2) 在Co-BN表面吸附的O2和CO较易被活化, 表明Co-BN可能是一种对CO氧化有较好催化活性的新型催化材料.     

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.     

第一性原理对GanPm小团簇的结构及稳定性的研究

利用密度泛函理论(DFT)对GanP和GanP2 (n=1-7)团簇的几何结构、电子态及稳定性进行了研究. 在B3LYP/6-31G*水平上进行了结构优化和频率分析,得到了GanP和GanP2(n=1-7) 团簇的基态结构. 结果表明,n≤5团簇的几何结构基本上为平面结构,n＞5的团簇均为立体结构;在GanP2 (n=1-6)团簇中,P-P比Ga-P容易成键;在GanP和GanP2 (n=1-7) 团簇中,Ga3P, Ga4P, GaP2, Ga2P2 和 Ga4P2的基态结构最稳定,在所研究的团簇中,稳定性随团簇总原子数的增大而减小.     

中性和带电小钨团簇的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了中性和带电小钨团簇W_n（n＝3—6）的构型,得到了一些能量较低的结构,它们都有可能是团簇的基态.研究发现,这些团簇大多具有较低的自旋多重度：中性小钨团簇为自旋单态或三重态;带电小钨团簇为自旋双重态或四重态.当n>3时,小钨团簇具有三维立体结构.通过拟合光电子谱、计算垂直离化能并与实验值比较,进一步讨论了带负电小钨团簇的基态结构. 关键词： 小钨团簇 构型 密度泛函理论     

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.     

First principles calculations of cobalt doped zigzag graphene nanoribbons

We have investigated the stability and electronic properties of Co-doped zigzag graphene nanoribbons (ZGNR) by employing first principles calculations based on density functional theory. The results show that Co impurities settled in antiferromagnetic ground state which is ～2 meV favourable than ferromagnetic state. The formation energy indicates spontaneous formation of one-edge and centre doped structures, however, one-edge doping is found to be the most energetically favourable configuration. A charge transfer takes place from C to Co atoms which shows the formation of chemical bonding between C and Co. Binding energy also confirms the strong bonding of dopant Co impurity with C. The calculations show that band structures of all the ZGNR is substantially modified due to CoC charge transfer and the characteristic edge states of ZGNR are completely lost. Co-doping induces site independent enhanced metallicity irrespective of the ribbon widths. The broken degeneracy of electronic states in one-edge and centre doped ZGNR is important for spintronic applications.     

First principles study of titanium-coated carbon nanotubes as sensors for carbon monoxide molecules

In this work, the electronic properties of the system composed by the CO molecules adsorbed on Ti-coated single-wall carbon nanotubes (SWNTs) are studied through first principles calculations. The changes in the electronic properties of the interaction of the CO molecules with a linear Ti wire covering an (8, 0) semiconductor SWNT are analyzed for different CO concentrations. A strong interaction between CO molecules and the SWCT/Ti system is observed, which decreases when the concentration of CO molecules increases. The resulting system are shown to be very sensitive to the CO concentration adsorbed on the tube/Ti system, making that the SWNT, which is originally semiconductor and becomes metallic after Ti covering, to recover the semiconductor behavior again when enough high concentrations of CO molecules is adsorbed on the SWNT/Ti system. These three distinct steps (semiconductor/metallic/semiconductor) constitute the basis for a feasible, flexible and efficient sensor device for CO molecule recognition.     

First principles study of hafnium intercalation between graphene and Ir(111) substrate

The intercalation of heteroatoms between graphene and metal substrates is a promising method for integrating epitaxial graphene with functional materials. Various elements and their oxides have been successfully intercalated into graphene/metal interfaces to form graphene-based heterostructures, showing potential applications in electronic devices. Here we theoretically investigate the hafnium intercalation between graphene and Ir(111). It is found that the penetration barrier of Hf atom is significantly large due to its large atomic radius, which suggests that hafnium intercalation should be carried out with low deposition doses of Hf atoms and high annealing temperatures. Our results show the different intercalation behaviors of a large-size atom and provide guidance for the integration of graphene and hafnium oxide in device applications.     

第一性原理对GanPm小团簇的结构及稳定性的研究

利用密度泛函理论（DFT）对Ga_nP和Ga_nP₂ (n=1—7)团 簇的几何结构、电子态及稳定 性进行了研究. 在B3LYP/6-31G^*水平上进行了结构优化和频率分析，得到了Ga _nP和Ga_nP₂(n=1—7) 团簇的基态结构. 结果表明，n≤ 5团簇的几何结构基本上为平面结构，n ＞ 5的团簇均为立体结构；在Ga_nP₂ (n=1—6)团簇中，P-P比Ga-P容易 成键；在Ga_nP和G a_nP₂ (n=1—7) 团簇中，Ga₃P, Ga₄P, Ga P₂, Ga₂P₂ 和 Ga₄P₂的基态结构最稳定，在所研究的团簇中，稳定性随团簇总原 子数的增大而减小. 关键词： nP_m团簇')" href="#">Ga_nP_m团簇 密度泛函理论（DFT） 几何结构 电子态     

First principles calculations of armchair graphene nanoribbons interacting with Cu atoms

We have investigated the electronic properties of bare, H-terminated, Cu-terminated and Cu-doped armchair graphene nanoribbons (AGNRs) using ab-initio approach. We found that H-termination enhances the stability and band gap whereas H extraction introduces dangling bands and lowers the band gap making bare ribbons indirect band gap semiconductors. The calculations revealed that strong hybridization between Cu atoms and AGNRs, lessen the band gap for Cu-terminated ribbons and gives rise to metallicity in Cu-doped AGNRs irrespective of their widths. Formation energy of considered ribbons yield that H-terminated AGNRs with lowest formation energy are most energetically favored, next are one edge Cu-terminated ribbons followed by bare ones whereas both edges Cu-doped ribbons are least energetically plausible. We predict that presence of Cu atoms in GNRs, significantly alter the band gap and can be used in band gap engineering of nanoribbons.