O掺杂MgF2电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了O原子不同比例(12.5％,8.33％和6.25％)掺杂MgF2晶体的几何结构、电子结构和光学性质.通过对比发现,由于O原子的掺入,体系的禁带宽度减小,材料呈现半金属性.计算也表明,O掺杂对静态介电常数和光吸收系数有重要调制作用,同时也给出了体系性质变化的...     

LiNiO2及掺杂化合物的结构与稳定性的第一性原理研究

应用第一原理局域密度泛函对LiNiO2及其掺杂化合物的晶体结构、能带结构和态密度进行了研究.结果表明:锂镍氧系正极材料是电子的良导体,在充放电过程中具有良好的稳定性,适合做锂离子电池的正极材料;在LiNiO2晶体中主要是O和Ni之间成键,镍离子和氧离子的相互作用比较强,Li在嵌入层状结构材料后部分失去电子,以离子状态存在.     

Mg、Zn掺杂AlN电子结构的第一性原理计算

采用密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法, 对Mg、Zn 掺杂AlN 的32 原子超原胞体系进行了几何结构优化, 从理论上给出了掺杂和非掺杂体系的晶体结构参数, 对纤锌矿结构AlN 晶体及AlN:Mg、AlN: Zn 的结构、能带、结合能、电子态密度、集居数、差分电荷分布进行计算和分析. 计算结果表明, AlN:Mg、AlN: Zn 都能提供很多的空穴态, 形成p 型电导, 并且Mg是较Zn 更好的p型掺杂剂.     

Lu掺杂AlN的电子结构和光学性质的第一性原理研究

为了探索 AlN在光电器件中的潜在应用,采用第一性原理计算了不同 Lu掺杂浓度(以原子分数 x表示)的 AlN(Al_1-xLu_xN)的电子结构和光学性质。研究结果表明,Al_1-xLu_xN的超胞体积随着Lu掺杂浓度的增加而增加,而带隙则相反。Al_1-xLu_xN的静态介电常数在低能区随掺杂浓度的提高而提高,随后逐渐趋向一致。随着Lu掺杂浓度的增加,反射率和吸收系数的峰值强度降低,峰值向较低能量方向移动。Al_1-xLu_xN的能量损失光谱表现出明显的等离子体振荡特性,且峰值低于本征AlN。Al_1-xLu_xN的光电导率在低能区随能量的增加而急剧增加。     

Lu掺杂AlN的电子结构和光学性质的第一性原理研究

为了探索AlN在光电器件中的潜在应用,采用第一性原理计算了不同Lu掺杂浓度(以原子分数x表示)的AlN(Al_1-xLu_xN)的电子结构和光学性质。研究结果表明,Al_1-xLu_xN的超胞体积随着Lu掺杂浓度的增加而增加,而带隙则相反。Al_1-xLu_xN的静态介电常数在低能区随掺杂浓度的提高而提高,随后逐渐趋向一致。随着Lu掺杂浓度的增加,反射率和吸收系数的峰值强度降低,峰值向较低能量方向移动。Al_1-xLu_xN的能量损失光谱表现出明显的等离子体振荡特性,且峰值低于本征AlN。Al_1-xLu_xN的光电导率在低能区随能量的增加而急剧增加。     

Ru掺杂SnO2半导体固溶体的电子结构研究

运用基于密度泛函理论的第一性原理方法,建立了SnO₂以及不同比例Ru掺杂的SnO₂超胞模型,在对其进行几何优化后计算了Sn_1-xRu_xO₂(x=0,1/16,1/12,1/8,1/6,1/4,1/2)半导体的电子结构,并讨论了其晶格参数、电荷密度、能带结构和态密度(包括分态密度)等性质。结果表明,掺杂后,晶格参数随掺杂量的增加线性减小,与实验值的偏差在4%以内;掺杂后,在费米能级处可以提供更多的填充电子,使得电子跃迁至导带更容易,固溶体的导电性增强。为Sn_1-xRu_xO₂固溶体电极材料的发展和应用提供了理论基础。     

Ru掺杂SnO2半导体固溶体的电子结构研究

运用基于密度泛函理论的第一性原理方法,建立了SnO₂以及不同比例Ru掺杂的SnO₂超胞模型,在对其进行几何优化后计算了Sn_1-xRu_xO₂(x=0,1/16,1/12,1/8,1/6,1/4,1/2)半导体的电子结构,并讨论了其晶格参数、电荷密度、能带结构和态密度(包括分态密度)等性质。结果表明,掺杂后,晶格参数随掺杂量的增加线性减小,与实验值的偏差在4%以内;掺杂后,在费米能级处可以提供更多的填充电子,使得电子跃迁至导带更容易,固溶体的导电性增强。为Sn_1-xRu_xO₂固溶体电极材料的发展和应用提供了理论基础。     

采用第一性原理研究非金属掺杂BiOCl的电子结构和光吸收性质

基于密度泛函理论的第一性原理分别研究了不同浓度Br和I掺杂BiOCl体系的能带结构、态密度、形成能和光学性质.研究结果表明,由于Br的4p和I的5p轨道作用,Br和I掺杂可在一定程度上降低BiOCl的禁带宽度,拓宽BiOCl的光吸收范围.Br和I掺杂BiOCl的形成能计算结果表明,Br掺杂BiOCl的稳定性高于I掺杂体系.对于B,C,N,Si,P和S掺杂BiOCl体系,掺杂能级的形成主要由掺杂元素的np轨道贡献,使BiOCl吸收带边红移至可见光区.而S掺杂则位于价带顶位置,有效地降低了BiOCl禁带宽度,使BiOCl响应波长出现红移,且未形成中间能级,不易成为俘获陷阱,因此S掺杂将是一种提高BiOCl可见光光催化活性的改性方法.     

(Co,P)双掺杂MgF2电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了纯MgF2晶体、Co掺杂MgF2晶体、P掺杂MgF2晶体和(Co,P)双掺杂MgF2晶体的电子结构和光学特性.结果表明,掺杂后的MgF2晶体发生了畸变,原子之间的键长也有所变化.(Co,P)双掺杂后,由于非金属原子p态和金属原子d态之间的轨道杂化,在MgF...     

Y-Cu共掺杂ZnO电子结构与光学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波赝势法研究了本征ZnO、Y和Cu单掺杂ZnO、Y-Cu共掺杂ZnO的电子结构和光学性质. 计算结果表明, 在本文的掺杂浓度下, Y和Cu单掺杂可以提高ZnO的载流子浓度, 从而改善ZnO的导电性, Y-Cu共掺时ZnO半导体进入简并状态, 呈现金属性. Y 掺杂ZnO可以提高体系在紫外区域的吸收, 而Cu掺杂ZnO在可见光和近紫外区域发生吸收增强现象, 其中由于Y离子和Cu离子之间的协同效应, Y-Cu共掺杂ZnO时体系对可见光和近紫外区域的光子能量吸收大幅增加, 因此Y-Cu共掺杂ZnO可以用于制作光电感应器件.     

Ag_3XO_4(X=P,As,V)电子结构及光催化性质的第一性原理计算

基于密度泛函理论的第一性原理对Ag_3XO_4(X=P,As,V)电子结构及光催化性质进行了对比研究。与Ag_3XO_4相比,Ag_3VO_4较好的光催化稳定性主要源于其结构中Ag-O间较强的作用力增加了对Ag+的控制,而Ag_3VO_4弱的光催化活性与其导带底中存在d轨道成份以及较低的价带边势(2.335 V,vs NHE)有关;对Ag_3AsO_4而言,其优于Ag_3XO_4光催化活性的原因基于三个方面:(1)由高分散Ags-Ags杂化轨道构成的导带底能带;(2)窄的带隙(1.91 e V);(3)宽的可见光响应范围以及高的光吸收系数。此外,Ag_3XO_4(X=P,As,V)均为间接带隙半导体光催化材料,其中,Ag_3VO_4有用于分解水制氢研究的可能;上述计算结果与实验结果吻合。     

采用第一原理方法研究Al3+掺杂LiMn2O4的电子结构

为了从理论方面研究掺杂Al3 对锂离子电池正极材料LiMn2O4结构及电化学性能的影响,对LiMn2O4中掺杂Al3 的电子结构进行了基于密度泛函理论的第一原理研究,得到了相应的晶格常数、费米能、能带图、态密度图及分态密度图.结果表明,掺杂Al3 后,晶格常数变小,材料结构更加稳定,循环性能更好,有效地抑制了Mn3 发生的Jahn-Teller畸变,掺入Al3 的缺点是使材料的电导率降低.     

Au掺杂硅纳米线的稳定性和电子结构

采用基于密度泛函理论的第一性原理的方法, 对Au掺杂[100]方向氢钝化硅纳米线(SiNWs)不同位置的形成能、能带结构、态密度及磁性进行了计算, 考虑了Au占据硅纳米线的替代、四面体间隙和六角形间隙的不同位置. 结果表明: Au偏爱硅纳米线中心的替代位置. Au掺杂后的硅纳米线引入了杂质能级, 禁带宽度变窄. 对于Au替代掺杂, 杂质能级主要来源于Au的d、p态和Si的p态, 由于Au的d态和Si的p态的耦合, Au掺杂硅纳米线具有铁磁性. 对于间隙掺杂, 杂质能级主要来源于Au的s态, 是非磁性的. 另外, 根据原子轨道和电子填充模型分析了其电子结构和磁性.     

新金刚石电子结构的第一性原理研究

金刚石、 石墨和卡宾碳是三种常见的碳同素异构体, 其外层轨道价电子分别是以sp³-, sp²-和sp¹-形式杂化而成的^［1］. 1991年, Hirai等^［2］在研究金刚石的形成机理时, 发现了一种新的碳同素异构体, 并将其命名为新金刚石(new diamond) ^{［3, 4］}. 在许多实验过程中虽然也曾获得过新金刚石^［5~11］, 但是这些实验获得的新金刚石的样品产量都较少, 且新金刚石的颗粒尺寸都很小(小于100 nm), 因此只能采用电子衍射(ED)的方法研究其结构. Jarkov等^［9］在分析多晶体ED图谱的基础上, 认为新金刚石是面心立方结构(FCC), 其晶格常数为0.357 nm. 2001年, Konyashin等^［1］通过ED图谱、电子能量损失谱和半经验的能量计算认定新金刚石为FCC的纯碳, 其晶格常数为0.356 3 nm. 我们曾用强磁场碳黑催化法制备出大量的新金刚石^{［3,4,12~14］}, 并对新金刚石的热稳定性进行了研究^［12］, 而对其结构和性能的研究尚未见报道.     

应变调控单层氧化锌能带结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算对单层ZnO薄膜能带结构的应变调控进行了研究.计算结果表明:沿着之字形方向的压缩应变和扶椅形方向的拉伸应变对薄膜带隙的调控都是线性的,而且带隙调控的范围最大;相反地,在沿着之字形方向的拉伸应变和扶椅形方向的压缩应变的调控下,带隙则呈现出非线性的变化.对于双轴应变的拉伸与压缩,带隙的变化都是非线性的.这种通过不同的应变加载方式来实现对带隙不同程度的调控,对ZnO薄膜在光学和催化等领域的应用具有重要的指导意义.     

Ni离子掺杂锐钛矿相TiO_2体系的第一性原理研究

采用自旋密度泛函理论的第一性原理方法并结合晶体配位场理论,研究了Ni离子掺杂锐钛矿相TiO_2体系(NixTi1-xO2;NixTiO_2)的几何结构、缺陷形成能、电子结构以及磁性特征等问题。结果表明:实验上发现的有关Ni掺杂TiO_2体系的很多矛盾,如:晶粒体积的增减、掺杂Ni离子的不同价态、吸收光谱带边移动方向和体系磁性特征的差异等问题都可归因于Ni离子掺杂类型的不同(NiTi;Niin)。分析表明,不同的Ni离子掺杂类型导致所成Ni-O键的键长和电荷布居不同,从而使Ni离子呈现不同的价态,这也是体系宏观电学和磁学性能差异的根本原因。形成能计算表明,通过控制Ni-TiO_2晶体生长过程中的氧环境,可以人为的控制Ni离子的掺杂类型。     

镁离子掺杂对LiFePO4/C材料电池性能的影响

通过PVA(聚乙烯醇)包覆工艺利用固相法合成了镁离子掺杂的LiFePO₄/C.材料的高温电导率特征曲线和电阻率与掺杂含量变化的曲线表明，材料中由于Mg离子的掺杂，使得其导电机制由n型半导体向p型半导体转换.在镁离子掺杂原子百分含量为0.3％(x)下，研究了材料的结晶性能随烧成温度的变化.973 K下合成材料具有良好的微观结构，材料的亚微米颗粒和PVA裂解产生的碳黑形成了粒径在10 μm左右的团簇体.在循环伏安特性曲线中，存在两个小的肩峰,表明在循环过程中，锂离子可以通过由掺杂产生的锂空位进行插入和脱出.材料在0.1 C的充放电速率下，首次充放电曲线具有平稳的电压平台和较大的充放电容量.当充放电速率为0.5 C时，材料仍然具有大于120 mA•h•g^－1的充放电容量；经过100次循环后，基本上没有发现材料的循环容量衰减的情况.     

Ni离子掺杂锐钛矿相TiO2体系的第一性原理研究

采用自旋密度泛函理论的第一性原理方法并结合晶体配位场理论,研究了Ni离子掺杂锐钛矿相TiO₂体系（Ni_xTi_1-xO₂;Ni_xTiO₂）的几何结构、缺陷形成能、电子结构以及磁性特征等问题。结果表明：实验上发现的有关Ni掺杂TiO₂体系的很多矛盾,如：晶粒体积的增减、掺杂Ni离子的不同价态、吸收光谱带边移动方向和体系磁性特征的差异等问题都可归因于Ni离子掺杂类型的不同（Ni_Ti;Ni_in）。分析表明,不同的Ni离子掺杂类型导致所成Ni-O键的键长和电荷布居不同,从而使Ni离子呈现不同的价态,这也是体系宏观电学和磁学性能差异的根本原因。形成能计算表明,通过控制Ni-TiO₂晶体生长过程中的氧环境,可以人为的控制Ni离子的掺杂类型。     

M(Al,Cu,Pd,Pt,Rh,Zr)掺杂CeO2的第一性原理研究

二氧化铈因其具有较高的储氧/释氧能力、较强的氧化-还原性能,受到人们极大关注,并在工业催化领域有重要应用。杂质对二氧化铈性能具有重要影响,本文用基于密度泛函理论的第一性原理方法,并用DFT U方法描述Ce4f电子的强关联效应,研究了金属(M=Al,Cu,Pd,Pt,Rh,Zr)掺杂对二氧化铈(CeO2-x)的体性质(如晶格常数,体弹性模量)的影响。结果表明:晶格常数随着杂质含量增加呈单调减小;M掺入CeO2晶胞后,引起了体弹性模量的变化。     

g-C3N4光催化材料的第一性原理研究

能源短缺和环境恶化是人类社会快速发展面临的重大难题。太阳能作为一种清洁无污染的理想新型能源,具有取之不尽、用之不竭的特点,是实现可持续发展的最佳能源选择。半导体光催化可以直接利用太阳光进行催化反应,得到了广泛关注。作为一种低成本无金属光催化剂,g-C₃N₄具有独特的电子能带结构、优良的化学稳定性和热力学稳定性,在光催化领域如分解水制氢制氧、降解有机污染物、CO₂还原、抗菌和有机官能团选择性转换等方面表现出巨大的应用前景。目前g-C₃N₄光催化剂存在着如比表面积小、可见光利用率低、量子产率低和光生载流子易复合等问题,制约了其在光催化领域的应用。因此,提升g-C₃N₄光催化性能是光催化研究领域的重要课题。第一性原理具有半经验方法不可比拟的优势,已成为光催化研究领域计算和模拟的重要基础。基于密度泛函理论的第一性原理在光催化领域的广泛应用,为有效迅速地探求能够改善g-C₃N₄光催化性能的方法提供了明确的研究手段。本文从理论计算的角度综述了近年来在g-C₃N₄改性方面所取得的一些重要研究进展,主要包括元素掺杂、复合和形貌调控等改性手段。本文以g-C₃N₄改性光催化剂为研究对象,从电子性质、能带结构、光学性质和缺陷形成能的角度阐述了各种改性手段提高光催化活性的微观机理。最后,在总结前文所述各类改性研究的基础上,对g-C₃N₄改性光催化剂未来的发展趋势作出了展望。