Ti掺杂W_(18)O_(49)纳米线的电子结构与NO_2敏感性能的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,通过理论建模,研究了Ti掺杂的非化学计量比W18O49纳米线的几何与能带结构以及电子态密度,并通过进一步计算NO2/Ti-W18O49纳米线吸附体系的吸附能、电荷差分密度与电荷布居,分析了Ti掺杂W18O49纳米线的气体吸附与敏感性能.计算发现,Ti掺杂改变了W18O49纳米线的表面电子结构,引入的额外的杂质态密度和费米能级附近能带结构的显著变化,使掺杂纳米线带隙与费米能级位置改变,纳米线导电性能增强.吸附在W18O49纳米线表面的NO2作为电子受体从纳米线导带夺取电子,导致纳米线电导降低,产生气体敏感响应.与纯相W18O49纳米线相比,NO2/Ti-W18O49纳米线吸附体系内部存在更多的电子转移,从理论上定量地反映了Ti掺杂对改善W18O49纳米线气敏灵敏度的有效性.对Ti掺杂纳米线不同气体吸附体系电子布居的进一步计算表明,Ti掺杂纳米线对NO2气体具有良好的灵敏度和选择性.     

He原子在金属Ti中行为的第一性原理计算

采用基于量子化学基本原理的密度泛函理论，研究He原子在金属T冲的占位、能量及结构优化后材料各性质参数的变化情况，以及He原子聚集成泡的微观原因。     

金刚石延(111)面生长的第一性原理研究

利用密度泛函理论(DFT)对碳原子在镍(111)表面吸附结构进行了计算，得到了吸附能以及态密度 (density of state, DOS)分布，分析了吸附在镍(111)面的碳原子和金刚石(111)面的碳原子的分波态密度(PDOS)，结果表明吸附在镍表面的碳原子具有与金刚石表面碳原子相类似的电子结构特点，即两者都存在孤对的和成键的sp³杂化电子,进而发现吸附在镍表面的碳原子极易与金刚石表面相互作用形成稳定的类金刚石几何结构. 关键词： 密度泛函理论 化学吸附 电子结构 金刚石生长     

掺杂对金属-MoS_2界面性质调制的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,计算了卤族元素掺杂对金属-MoS_2界面性质的影响,包括缺陷形成能、电子能带结构、差分电荷密度以及电荷布居分布.计算结果表明:卤族元素原子倾向于占据单层MoS_2表面的S原子位置;对于单层MoS_2而言,卤族元素的掺杂将在禁带中引入杂质能级以及导致费米能级位置的移动.对于金属-MoS_2界面体系,结合Schottky-Mott模型,证明了卤族元素的掺杂可以有效地调制金属-MoS_2界面间的肖特基势垒高度.发现F和Cl原子的掺杂将会降低体系的肖特基势垒高度.相比之下,Br和I原子的掺杂却增大了体系的肖特基势垒高度.通过差分电荷密度和布居分布的分析,阐明了肖特基势垒高度的被调制是因为电荷转移形成的界面偶极矩的作用导致.研究结果解释了相关实验现象,并给二维材料的器件化应用提供了调节手段.     

MnSb/GaSb(001)界面半金属特性的第一性原理研究

利用密度泛函理论计算六角NiAs型和立方闪锌矿型MnSb的电子和电磁特性,研究闪锌矿MnSb与GaSb(001)界面,并采用广义渐变近似计算了交换-相关项．闪锌矿结构的MnSb具有半金属铁磁特性,单分子磁矩4μB,MnSb/GaSb(001)界面同样具有半金属特性．界面中Mn原子的磁矩减小,界面中Sb原子磁矩等于两个相应界面磁矩的平均值．另外计算了能带排列在异质结中价带偏移大约1.25 eV.     

In掺杂ZnO电子结构的第一性原理研究

采用第一性原理平面波超软赝势,计算了纤锌矿ZnO和不同掺杂量下In掺杂ZnO晶体的能带结构、态密度和分波态密度.计算表明,In的掺杂导致ZnO禁带宽度变窄.随着掺杂量的增大,In_xZn_1－xO的导带底和价带顶同时下降,但是导带底比价带顶下降得多,这导致了带隙的变窄.此外,In掺杂使晶胞晶格常数增大,这对带隙的变窄也有一定作用.     

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     

氮掺杂的金刚石磁性研究

采用第一性原理计算方法研究金刚石中由空位或者N掺杂引起的磁特性. 发现-1价和-2 价的碳空位能分别产生3 μ_B和2μ_B的磁矩; -2价的碳空位能够引发长程有序的铁磁耦合状态, 而-1价的碳空位更倾向于反铁磁耦合.掺杂N元素能有效地控制空位的荷电状态及相应的磁相互作用, 这一结果为在金刚石中实现非过渡族金属掺杂的铁磁性提供了一条新的路径. 关键词： 第一性原理计算 氮掺杂 金刚石 磁性     

P掺杂单壁硅纳米管Mg原子吸附性能的第一性原理研究

采用密度泛函理论的广义梯度近似和平面波赝势方法,研究P掺杂单壁硅纳米管对Mg原子的吸附性能.计算本征、掺杂P、施加形变作用（压缩和拉伸）的（6,6）硅纳米管外壁对Mg原子的吸附能,分析掺杂P前后的成键情况及电荷布局数.结果表明,掺杂P使体系形成Mg-P和Si-P间的离子性键,增强了Si-Si间的离子性键,P掺杂硅纳米管超晶格中离子键与共价键共存;掺杂P后显著提高了硅纳米管外壁对Mg原子的吸附能力;硅纳米管外壁对Mg原子的吸附能在0.25%,0.50%,1.00%,1.25%的压缩量和1.00%,1.25%的拉伸量时增大,可显著增强硅纳米管材料作为增强相时与基体界面间结合的粘附性.     

Cd掺杂纤锌矿ZnO电子结构的第一性原理研究

采用密度泛函理论结合投影缀加波方法,对掺杂Cd导致ZnO禁带宽度下降的机理进行了研究. 通过对掺杂前后电子能带结构,态密度以及分态密度的计算和比较,发现Cd_xZn_1-xO价带顶端(VBM)始终由O-2p占据;而导带顶端(CBM)则由Cd-5s与Zn-4s杂化轨道控制. 随着掺杂浓度的增加,决定带隙宽度的CBM的位置下降,同时VBM的位置上升,从而导致了带隙的变窄,出现了红移现象. 此外,Cd掺杂会使晶胞发生膨胀,这种张应变也是导致Cd 关键词： 密度泛函理论 电子结构 Cd掺杂ZnO     

Co元素对硬质合金基底金刚石涂层膜基界面结合强度的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法, 研究了硬质合金刀具基底黏结相Co元素对金刚石涂层膜基界面结合强度的影响机理. 借助Materials Studio软件建立了WC/Diamond膜基界面模型和WC-Co/Diamond膜基界面模型, 采用CASTEP仿真软件计算了WC/Diamond膜基界面模型和WC-Co/Diamond膜基界面模型的最优稳定结构. 通过仿真计算, 获得了WC/Diamond膜基界面模型和WC-Co/Diamond膜基界面模型的界面结合能、电荷密度图及Mulliken重叠布居数. 经对比分析后发现, 硬质合金基底中磁性元素Co的存在能转移金刚石涂层膜基界面处W元素及C元素的电荷, 从而使膜基界面处的原子因失电荷而相斥, 这直接导致了金刚石涂层膜基界面间距变大, 使得金刚石涂层膜基界面结合能降低.     

温度对金刚石涂层膜基界面力学性能的影响

利用分子动力学方法建立了硬质合金基底金刚石涂层膜基界面模型, 并采用Morse势函数和Tersoff势函数相互耦合的方法来表征模型内原子间的相互作用关系, 在此基础上对不同温度(0–800 K)条件下硬质合金基底金刚石涂层膜基界面的力学性能进行了分子动力学仿真计算. 结果表明: 当温度由0 K上升到800 K的过程中, 金刚石涂层膜基界面拉伸强度呈下降趋势, 并且在0–300 K范围内下降趋势明显, 在300–800 K范围内下降趋势缓和; 体系能量随温度的变化具有相同的下降趋势.     

缺陷碳纳米管限域金属Ti原子的理论研究

基于密度泛函第一性原理研究了金属原子Ti在原始、单空位缺陷(SV)、Stone-Wales(SW)缺陷碳纳米管内外的吸附情况.我们的计算结果表明金属Ti原子在缺陷碳纳米管内外结合能的排列顺序为:SVSW-zSW-xpristine(外吸附),SVSW-xSW-zpristine(内吸附).同时,我们通过吸附结构、电子密度和态密度等分析了Ti原子与碳纳米管的作用机制.其中,SV缺陷碳纳米管由于失去一个碳原子而形成了的三个悬键具有很强的结合能力,金属原子Ti在SV缺陷碳纳米管内外的吸附能力都是最强的.对于SW缺陷的碳纳米管,由于缺陷的位置不同,对于金属原子Ti内外吸附的能力也是不同的.因此,缺陷的存在能调节碳纳米管载体对Ti原子的吸附性能.     

First-principle study on magnetic properties of Mn/Fe codoped ZnS

We studied the magnetic properties of Mn/Fe codoped ZnS comparatively with and without defects using first-principle calculation. The calculated results indicate that the Mn/Fe codoped ZnS system tends to stabilize in a ferrimagnetic (FiM) configuration. To obtain a ferromagnetic (FM) configuration, we consider the doped system with defects, such as S or Zn vacancy. The calculated results indicate that the doped system with Zn vacancy favors FiM states. Although the FM states of the doped system with S vacancy are more stable than the FiM states in negative charge states, the FM states are not stable enough to exist. Finally, we replaced an S atom by a C atom in the doped system. The C atom prefers to substitute the S atom connecting Mn and Fe atoms. The formation energy of this defect is −0.40 eV, showing that Mn/Fe/C codoped ZnS can be fabricated easily by experiments. Furthermore, the FM state was lower in energy than the FiM state by 114 meV. Such a large energy difference between the FM and FiM states implies that room temperature ferromagnetism could be expected in such a system.     

First-principles study on the magnetic properties of transition-metal atoms doped (ZnS)12 cluster

A first-principles density functional investigation has been performed to evaluate the structural, electronic, and magnetic properties of (ZnS)₁₂ doped with one or two transition-metal (TM) atoms (Fe, Co, and Ni). Substitutional- and interstitial-doping are considered. The substitutional isomers are found to be most favorable for Fe-doped clusters, while the interstitial isomers are found to be most favorable for Co- and Ni-doped clusters. Magnetic coupling between the TM atoms at the nearest neighbor position is mainly governed by the competition between direct ferromagnetic and antiferromagnetic interactions between two TM atoms via the S atom due to strong p-d hybridization. The coupling is short-ranged. Most importantly, we demonstrate that the Fe and Ni endohedral bi-doped (ZnS)₁₂ clusters favor the ferromagnetic state, which has potential applications in nanoscale quantum devices.     

MgB_2(001)面超导结构的电子浓度第一原理分析

采用密度范函理论计算了金属化合物MgB2(001)薄膜结构的电子能带结构和状态密度,计算的交换相关能分别采用LDA和GGA。规范保守赝势的计算结果表明,晶格常数与实验值误差在很小的范围内,分析了引起MgB2(001)面结构超导转变时电子浓度和偏态密度的变化情况,发现构成该超导体结构的成键有三种,着重从结构的电子浓度变化分析了其超导特性,六角蜂窝状结构中硼原子间相互作用为sp2杂化的共价键,镁原子和硼原子之间是离子键结合,镁原子层是金属键结合,镁原子的价电子部分转移到硼原子的pz轨道,部分电子为镁原子层共用。MgB2的超导机制为强烈的电子-声子耦合,为B原子间强烈的共价作用形成,是传统S波超导体。对Mg元素同一主族的其它硼化物进行布居分析,发现MgB2中Mg原子电子转移明显强于BeB2和CaB2,说明电子浓度是引起超导转变的一个重要因素。     

氢吸附金刚石（001）表面的第一性原理研究

采用第一性原理方法研究氢吸附的金刚石（001）表面，计算了氢吸附金刚石表面构型.通过分析吸附前后空间电荷分布的变化，发现吸附H原子的金刚石（001）表面电荷向H原子转移，即表明氢吸附的金刚石表面带负电.分析了这种现象的微观机制，以及它对金刚石表面电学性质的影响. 关键词： 第一性原理计算 金刚石（001）面 表面吸附 电荷密度分布     

TiC-和TiN-(001)表面吸附性能的密度泛函理论研究

基于密度泛函理论系统研究了碳化钛(TiC)和氮化钛(TiN)非极性(001)表面吸附气体分子和原子的性能。鉴于这些材料拥有不同的电子结构特征,发现受电子的CO分子或未饱和的O和H原子在TiC(001)和TiN(001)表面吸附于不同的活性位点,而供电子的NH3和H2O气体分子或完全饱和的O2和H2分子仅倾向与两个表面的金属原子位点结合。这些吸附特性可能与此类材料表面的电子结构有关。