δ-(Zn,Cr)S(111)表面上的Dzyaloshinsky-Moriya作用:第一性原理计算

根据密度泛函理论的第一性原理计算了具有非中心反演对称的异质结δ-(Zn,Cr)S(111)体系的原子结构和电子结构.Cr原子之间通过第一层S原子传递磁性相互作用.结合广义布洛赫条件,又进一步计算了反方向的自旋螺旋能量与波矢的色散关系E(q)与E(-q).E(q)与E(-q)能量之差反映了δ-(Zn,Cr)S(111)的S层与Cr层之间空间反演对称性破缺引起的DMI的大小.通过海森伯相互作用(HBI)模型与Dzyaloshinsky-Moriya作用(DMI)模型拟合第一性原理计算值,得到了Cr原子间各近邻的HBI参数J_1-J_4与DMI参数d-_1,d_2.在δ-(Zn,Cr)S(111)中,Cr原子间的耦合为M型反铁磁.DMI参数d_1为-0.53 meV,为顺时针手性DMI,在δ-(Zn,Cr)S(111)界面上有可能会产生斯格明子.本文计算表明,磁性和非磁性半导体界面有可能存在DMI,为理论研究和磁存储技术的进步开拓一个新的方向.     

第一性原理计算：锰酸锂掺杂Fe和Co的性质研究

文章基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了LiMn2O4电池材料在掺杂Fe和Co离子时的电子结构和电化学性能。发现Fe\Co取代Mn3+在热力学上是会更加稳定,提升电化学性能。掺杂Fe后,LiMn2O4电池材料晶格参数减小(约0.3%);掺杂Co后,LiMn2O4电池材料晶格参数减小(约0.5%)。这两种掺杂方式让与之相邻的Mn3+被氧化成Mn4+,从而降低了Jahn-Teller畸变情况产生可能性。对于掺Fe尖晶石型锰酸锂(Li8Mn15FeO32),Mn环境中的Li离子会更容易被提取,第一次放电电压从原来的3.7V增加至4.623V;对于掺Co尖晶石型锰酸锂(Li8Mn15CoO32),第一次放电电压从原来的3.7V增加至4.101V。研究为锂电池电容量研究提供理论数据的参考。     

第一性原理研究3C-SiC/Mg复合材料界面的电子结构

基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法对4种3C-SiC(111)/Mg(0001)界面模型进行研究.界面间距和粘附功的计算表明,结构优化之后的界面模型只在z轴方向发生了移动,界面间距发生了不同程度的缩短;中心型模型的稳定性强于顶位型模型,C终端结构的稳定性强于Si终端结构,中心型C终端的界面模型具有最大的粘附功(2.5834 J/m~2)和最小的界面间距(1.7193?),是4种模型中最稳定的结构. Mulliken电荷、电荷密度分布、差分电荷密度和态密度的计算表明,中心性结构的Si终端和C终端模型界面处存在共价键、离子键和金属键.     

掺杂GaN/AlN超晶格第一性原理计算研究

第一性原理计算方法在解释实验现象和预测新材料结构及其性质上有着重要作用. 因此, 通过基于密度泛函理论的第一性原理的方法, 本文系统地研究了Mg和Si掺杂闪锌矿和纤锌矿两种晶体结构的GaN/AlN超晶格体系中的能量稳定性以及电学性质. 结果表明: 在势阱层(GaN 层)中, 掺杂原子在体系中的掺杂形成能不随掺杂位置的变化而发生变化, 在势垒层(AlN层)中也是类似的情况, 这表明对于掺杂原子来说, 替代势垒层(或势阱层)中的任意阳离子都是等同的; 然而, 相比势阱层和势垒层的掺杂形成能却有很大的不同, 并且势阱层的掺杂形成能远低于势垒层的掺杂形成能, 即掺杂元素(Mg_Ga, Mg_Al, Si_Ga和Si_Al)在势阱区域的形成能更低, 这表明杂质原子更易掺杂于结构的势阱层中. 此外, 闪锌矿更低的形成能表明: 闪锌矿结构的超晶格体系比纤锌矿结构的超晶格体系更易于实现掺杂; 其中, 闪锌矿结构中, 负的形成能表明: 当Mg原子掺入闪锌矿结构的势阱层中会自发引起缺陷. 由此, 制备以闪锌矿结构超晶格体系为基底的p型半导体超晶格比制备n型半导体超晶格需要的能量更低并且更为容易制备. 对于纤锌矿体系来说, 制备p型和n型半导体的难易程度基本相同. 电子态密度对掺杂体系的稳定性和电学性质进一步分析发现, 掺杂均使得体系的带隙减小, 掺杂前后仍然为第一类半导体. 综上所述, 本文内容为当前实验中关于纤锌矿结构难以实现p型掺杂问题提供了一种新的技术思路, 即可通过调控相结构实现其p型掺杂.     

Co掺杂BiFeO3的第一性原理研究

采用密度泛函理论结合投影缀加波（PAW）方法,研究了具有钙钛矿结构的BiFeO₃材料及对BiFeO₃进行B位Co元素替代掺杂得到的BiFe_075Co_025O₃材料的磁结构、电子结构、能带结构.结果表明：Co的掺入不破坏原有的钙钛矿结构,对材料铁电性影响不大;掺杂导致原有的G型反铁磁序发生变化,形成了亚铁磁序的磁结构,材料的铁磁性有了很大提高;然而,Co杂质的掺入使材料的绝缘性有所减弱. 关键词： 第一性原理计算 3')" href="#">Co掺杂BiFeO₃ 铁磁性     

SrTiO3(001)表面上Au和N原子相互作用的第一性原理研究

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SrTiO₃(001)表面上Au和N原子间相互作用的微观机理.通过比较分析N置换表面层O原子前后SrTiO₃(001)表面吸附Au原子体系的相关能量和电子结构,发现SrTiO₃(001)表面吸附Au原子和N替代表面层O原子的置换过程二者之间存在明显的"协同效应",即N原子置换SrTiO₃(001)表面层O原子的过程增强了相应表面吸附Au原子的稳定性,而SrTiO关键词： 表面结构 相互作用 第一性原理     

基于第一性原理计算IrSb压力相变

基于第一性原理并结合粒子群优化算法的卡里普索(CALYPSO)晶体结构预测方法,研究在0～100 GPa压力下,过渡金属铱和类金属锑组成的化合物IrSb的相变行为和物理性质。研究发现:在常压下,具有立方结构α-IrSb相的空间群为P63/mmc,与实验结果一致;在压力为16.4 GPa时,发现了一种新型立方结构β-IrSb相,其空间群为C2/c;在76.5～100 GPa压力范围内,其稳定结构为空间群是P-1的γ-IrSb相。声子色散关系计算结果表明:α-IrSb相、β-IrSb相和γ-IrSb相在各自的布里渊区没有出现虚频,具有动力学稳定性。计算得出3个相的形成焓均小于零,说明3个相均具有热力学稳定性。能带结构计算结果表明:3个相的晶体结构在费米面附近导带和价带均发生交叠,3个相均呈现金属性。计算并讨论了各相的电荷转移情况,研究发现:Ir原子是受主,Sb原子是施主,电荷从Sb原子向Ir原子转移。     

锰酸锂掺杂Fe和Co的性质的第一性原理计算

文章基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了LiMn₂O₄电池材料在掺杂Fe和Co离子时的电子结构和电化学性能.发现Fe\Co取代Mn³⁺在热力学上是会更加稳定,提升电化学性能.掺杂Fe后,LiMn₂O₄电池材料晶格参数减小(约0.3%);掺杂Co后,LiMn₂O₄电池材料晶格参数减小(约0.5%).这两种掺杂方式让与之相邻的Mn³⁺被氧化成Mn⁴⁺,从而降低了Jahn-Teller畸变情况产生可能性.对于掺Fe尖晶石型锰酸锂(Li₈Mn₁₅FeO₃₂),Mn环境中的Li离子会更容易被提取,第一次放电电压从原来的3.7 V增加至4.623 V;对于掺Co尖晶石型锰酸锂(Li₈Mn₁₅CoO₃₂),第一次放电电压从原来的3.7 V增加至4.101 V.研究为锂电池...     

六角氮化硼(h-BN)对单层硒化铟(InSe)的调制效应及这一新结构的电子性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算和分析了三种InSe/h-BN异质结的结构和电子性质.研究发现InSe/h-BN异质结具有间接带隙特点,并且价带顶和导带底的贡献均来自于InSe,差分电荷密度表明体系中没有明显的电荷交换.通过体系能带结构,我们发现h-BN层对单层InSe有着明显的调控效应.对比纯粹应变调控下单层的InSe的能带结构,发现h-BN对InSe能带结构的调控效应实际上是由InSe和h-BN之间的相互作用而诱导的晶格应变引起的.我们的研究结果表明,单层InSe沉积或生长在不同h-BN片上可以获得不同的晶格应变,实现对单层InSe能带结构的有效调控.     

第一性原理计算航天新材料金属锆的压缩行为

在密度泛函理论的基础上,运用局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)两种方法,并通过第一性原理等方法对锆晶体在0到50GPa下的物理性质进行了深入、系统的研究。结果表明,相比于广义梯度近似的计算结果而言,局域密度近似的计算结果和实验值更接近,但两者相差不是很大。并通过经典方法对锆晶体模拟计算了高压下的结构性质,得到的结果表明,在讨论的压强范围内,晶格参数与晶胞体积发生了非线性的变化,然而晶胞能量却随压强线性变化。通过对其相应的弹性性质的分析,发现随着压强的增大,锆晶体获得较好的延展性以及力学的稳定性。同时还得到了关于金属锆的能带结构特性及其光学性质,证实压强的改变对金属锆电子性质不会带来太大影响。     

Critical behavior of XY spin chain with Dzyaloshinsky-Moriya interaction studied in terms of Loschmidt echo

In this paper, the critical behavior of the general XY spin chain with the Dzyaloshinsky-Moriya (DM) interaction is studied by means of a Loschmidt Echo (LE) calculation. LE presents a Gauss decay in the region of magnetic field intensity |λ|<1 and an exponential decay in the region of |λ|>1. There exists a critical spin chain size N_C. When spin chain size is larger than N_C, the value of λ corresponding to the minimum value of LE (λ_m) is independent of the spin chain size and keeps a stable value. In the region of λ<0, the stable value is same for different DM interactions. In the region of λ>0, the stable value varies with changing DM interaction.     

基于第一性原理的新型非线性光学晶体探索

非线性光学晶体能对常见波段的激光进行频率转换,从而获得宽波段、可调谐的激光光源.此类光电功能材料在军事和民用领域具有重要的战略价值和应用价值.经过30多年的发展,应用于可见光及邻近波段的非线性光学晶体技术已经基本成熟,但深紫外和中远红外波段的非线性光学晶体技术的发展仍存在诸多不足,还需要在这些波段进行新型优质的非线性光学晶体探索.近年来,为了改变传统低效的"炒菜式"实验探索,加快新材料研发速度,基于密度泛函理论的第一性原理计算方法在新型非线性光学晶体探索中得到了广泛的应用.本文总结了近几年深紫外和中红外波段非线性光学晶体的新进展,通过介绍几种新型非线性光学晶体材料的研发过程,突出了第一性原理计算在新材料探索过程中起到的关键作用;探讨了非线性光学晶体研发的研究难点与趋势,以及第一性原理方法在未来新材料探索中的重点攻关方向.     

Induced modification of the geometric phase of a qubit coupled to an XY spin chain by Dzyaloshinsky-Moriya interaction

We consider a qubit symmetrically and transversely coupled to an XY spin chain with Dzyaloshinsky-Moriya(DM) interaction in the presence of a transverse magnetic field.An analytical expression for the geometric phase of the qubit is obtained in the weak coupling limit.We find that the modification of the geometrical phase induced by the spin chain environment is greatly enhanced by DM interaction in the weak coupling limit around the quantum phase transition point of the spin chain.     

B-Al共掺杂3C-SiC的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法,计算了未掺杂,B,Al单掺杂和B-Al共掺杂的3C-SiC的晶格参数、能带结构、态密度、有效质量、载流子浓度和电阻率. 计算结果表明：掺杂后导带和价带都向高能端移动,价带移动速度更快一些,使得禁带宽度都有一定程度的减小,其中B-Al共掺杂的禁带宽度最窄,纯净3C-SiC的禁带宽度最宽;B掺杂会减小价带顶空穴的有效质量,Al掺杂则反之,B-Al共掺杂补偿了二者的差异,和未掺杂的3C-SiC价带顶空穴的有效质量很接近. B和Al作为受主杂质,会极大地提高价带顶空穴载流子的浓度,而且B-Al共掺杂的3C-SiC的价带空穴浓度是B,Al单掺杂时的3倍. 4种体系中,B-Al共掺杂得到的电阻率是最低的,同单掺杂相比具有明显的性能优势. 关键词： 3C-SiC B-Al共掺杂 电阻率 第一性原理     

C/SiC纳米管异质结电子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,对扶手椅型(4,4)和(6,6)及锯齿型(8,0)和(10,0)C/SiC纳米管异质结的电子结构进行了研究.结果表明两类异质结结构都表现为半导体特性.扶手椅型纳米管异质结形成了Ⅰ型异质结,电子和空穴都限制在碳纳米管部分.锯齿型纳米管异质结中价带顶主要分布在碳纳米管部分及C/SiC界面处,而导带底均匀分布在整个纳米管异质结上.这两种异质结结构在未来纳米器件中具有潜在的应用价值. 关键词： C/SiC纳米管异质结 第一性原理 电子结构     

碳掺杂硼氮纳米管电子场发射的第一性原理研究

对闭口硼氮纳米管（BNNT）顶层掺碳体系,运用第一性原理研究了电子场发射性能.结果表明,掺碳的BNNT体系电子结构变化显著;外电场愈强,体系态密度向低能端移动幅度愈大,且最高占据分子轨道（HOMO）/最低未占据分子轨道（LUMO）能隙愈小.体系态密度和局域态密度,HOMO和LUMO及其能隙分析一致表明,各种碳掺杂体系中C_eqBNNT的场发射性能最佳. 关键词： 硼氮纳米管 碳掺杂 第一性原理     

Magnetic properties of DNA-templated Co/Cu naonoparticle chains

<正>According to ultraviolet(UV)-vis absorption spectra recorded in the DNA metallization process,DNA-templated Co/Cu binary nanoparticle chains are fabricated by incubating genome DNA of paralichthys olivaceus muscle in CoCl_2 and CuCl_2 mixture solution for 20 hours and reducing the complex for 2 hours.Transmission electron microscopy observation indicates that Co and Cu nanoparticles with 20 nm in diameter were randomly dispersed on the DNA template. The superconducting quantum interference device(SQUID) measurements display that the magnetic interaction between cobalt particles is greatly decreased by the copper particle.With increasing copper content,the coercivity of the systems enhance from 9 Oe to 100 Oe(1 Oe=79.5775 A/m).     

第一性原理研究电场对BN纳米管电子结构的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了电场对BN纳米管的电子结构的影响.首先对在不同电场强度下的纳米管几何结构进行了优化,可以看出纳米管沿轴方向层间距出现了不规则的变化.电子能带结构显示,在电场作用下,zigzag型和armchair型两种结构纳米管的能带向低能方向移动,并且导致纳米管的带隙有显著的减小.电场使得armchair型纳米管的带隙发生了从间接带隙向直接带隙的转变.在电场作用下,纳米管的两端态密度呈现出明显的差异,正负电荷沿轴向出现了沿轴向的空间分离,Mulliken电荷分布图揭示出最高占据轨道和最低未占据轨道分居在纳米管的两端.