第一性原理研究Mg2 Si同质异相体的结构、电子结构和弹性性质

在第一性原理框架下,采用赝势平面波方法研究了三种Mg₂Si同质异相体的晶胞结构、电子结构和弹性性质随压强的变化关系.研究发现,反萤石结构Mg₂Si、反氯铅矿结构Mg₂Si和Ni₂In型Mg₂Si分别在压强为0-7 GPa,7.5-20.2 GPa和21.9-40 GPa范围内能够保持结构稳定.计算获得了不同压强下Mg₂Si的弹性常数、体模量、剪切模量、杨氏模量、泊松比和各向异 关键词： 态密度 电子结构 弹性常数 第一性原理     

第一性原理研究BiNbO4晶体的电子结构和光学性质

此文用密度泛函理论的平面波赝势方法研究BiNbO4的电子结构和光学性质．获得了BiNbO4是一种禁带宽度为2.74 eV的直接带隙半导体, 价带顶主要是由O-2p态与Bi-6s态杂化而成,而导带底主要是由Nb-4d态构成等有益结果; 还分析得出介电函数、复折射率、能量损失等光学性质与电子态密度、能带结构存在内在的联系．     

CoSi电子结构第一性原理研究

采用基于第一性原理的密度泛函理论全势线性扩展平面波法，首先对CoSi的晶胞参数进行优化计算，CoSi多粒子系统的最低能量为-134684297Ry，此时其晶胞处于最稳态，与最稳态对应的晶胞体积V0等于5899360a.u.3,晶胞参数为a=b=c=04438nm；然后计算了优化后的CoSi的电子结构及Si侧Al掺杂的CoSi075Al025的电子结构并分析了两者的电子结构特征，计算的CoSi电子能态密度与已有的计算结果整体形貌相同，但存在局部差异，Al掺杂后费米面发生了偏移；最后探讨了两者的电子结构对热电性能的影响，Al掺杂可提高CoSi的材料参数B，因此有望提高其热电性能. 关键词： 第一性原理 电子结构 热电性能     

TiO_2缺陷结构电子性质的第一性原理计算

本文采用第一性原理研究了O空位缺陷、Ti空位缺陷TiO_2的能带结构、总态密度、吸收谱.通过研究发现:与TiO_2超胞结构的能带相比,O空位缺陷体系的价带与导带能量均向低能区域移动,费米能级与导带底交错,呈现出n型半导体,Ti空位缺陷的TiO_2的费米能级与价带顶部的能级交错,为p型半导体材料.对于O空位缺陷TiO_2总态密度与分波态密度在低能区的态密度则主要由O的3s、3p轨道贡献的能量,而在费米能附近的态密度则主要由Ti的4d轨道贡献能量;Ti空位缺陷的态密度总态密度仍然由O的3s、3p和Ti的4d轨道贡献的能量;同时分析吸收光谱发现峰值下移较多的是钛缺陷体系,其原因在于Ti缺陷结构中未成键电子的相互作用.     

第一性原理研究BaTiO3(001)表面的电子结构

在密度泛函理论的基础上,采用平面波赝势方法计算了立方相BaTiO3(001)表面的电子结构.结构优化表明最表层原子都向体内弛豫,且金属原子弛豫幅度最大,同时各层层间距变化呈交错分布.对两种表面结构的总能计算发现TiO:表面稳定性比BaO表面弱,一方面是由于TiO2表向结构中存在O-2p表面态,使价带和导带中电子态向高能区域偏移.另一方面,TO2表面附近Tj-O共价键存在强弱差异,有利于发生表面吸附.而在BaO表面结构中,最表层BaO的存在消除了这种差异,因而其表面稳定性较强.     

第一性原理计算A、B位掺杂对NaNbO_3电子结构的影响

钙钛矿结构的NaNbO3具有光催化分解水和降解有机物的性能,但其禁带宽度为3.40eV,因此仅具有紫外光响应.为了实现其可见光响应,本文通过密度泛函理论计算探讨了A位(Ag+)掺杂和B位(Sb5+、V5+)掺杂对NaNbO3的电子结构和光吸收性能的影响.结果表明,掺杂Ag+后,O 2p轨道和Ag 4d轨道杂化进而导致价带位置上移.掺杂Sb5+后,Nb 4d轨道和Sb 5s5p轨道杂化,导致导带位置下移.掺杂V5+后,Nb 4d轨道和V 3d轨道杂化,也导致导带位置下移.基于上述结果,提出了通过A、B位掺杂NaNbO3实现其光吸收红移的机制,本研究对通过掺杂调控NaNbO3光催化材料的光吸收方面有一定的指导意义.     

BiFeO3电子结构的第一性原理研究

采用广义梯度近似下的密度泛函理论计算了铁电相BiFeO3以及顺电相BiFeO3的轨道占据数、电子云重叠布居数、净电荷分布和态密度.结果表明,BiFeO3晶体现铁电性的主要原因是:Fe原子的3d轨道和O原子的2p轨道杂化.而且由于两相晶体结构上的差异,铁电相BiFeO3原子间的共价性和离子性相对顺电相BiFeO3增强了,态密度图在价带区基本相同,但是在导带区具有一定的差异性.     

第一性原理计算A、B位掺杂对NaNbO3电子结构的影响

钙钛矿结构的NaNbO3具有光催化分解水和降解有机物的性能,但其禁带宽度为3.40 eV,因此仅具有紫外光响应。为了实现其可见光响应,本文通过密度泛函理论计算探讨了A位（Ag+）掺杂和B位（Sb5+、V5+）掺杂对NaNbO3的电子结构和光吸收性能的影响。结果表明,掺杂Ag+后,O 2p轨道和Ag 4d轨道杂化进而导致价带位置上移。掺杂Sb5+后,Nb 4d轨道和Sb 5s5p轨道杂化,导致导带位置下移。掺杂V5+后,Nb 4d轨道和V 3d轨道杂化,也导致导带位置下移。基于上述结果,提出了通过A、B位掺杂NaNbO3实现其光吸收红移的机制,本研究对通过掺杂调控NaNbO3光催化材料的光吸收方面有一定的指导意义。     

第一性原理研究霰石的电子结构和光学性质

采用线性缀加平面波方法,研究了霰行的主要成分CaCO3的电子结构和线性光学特性,结果发现,霰石的主要成分CaCO3是一种具有直接带隙4.29119 eV的化合物,在这种化合物中,C原子的2s态和O原子的2s态杂化形成了阴离子[CO3]2-,并解释了介电函数虚部主要峰的形成原因,同时计算和研究了霰石的吸收系数、能量损失系数、折射系数和湮灭系数等光学性质.     

第一性原理研究GaP的电子结构、光学性质及各向异性

利用基于密度泛函理论(DFT),采用赝势平面波方法和广义梯度近似法(GGA)研究了闪锌矿ZB结构和盐岩RS结构GaP的基态电子结构、光学性质,根据能带理论初步研究GaP基态能带结构、总态密度(DOS)和分波态密度(PDOS),并计算出吸收系数,反射率,复介电函数,复折射率及能量损失函数.还计算了闪锌矿结构的GaP的各向异性.     

ZrRh晶体结构、弹性性质和电子结构的第一性原理研究

运用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了ZrRh的晶体结构、弹性性质和电子结构性质.结果表明:计算的B2、B19'和ZrIr结构的平衡晶格常数与相应的实验参数符合很好.从形成焓和态密度的角度来看,ZrRh的相稳定顺序是ZrIrFe BB19'B2,ZrIr结构是最稳定的.ZrIr结构的形成焓最小,说明ZrIr结构最容易生成.利用应力-应变的方法计算了ZrRh的弹性常数,表明B2、FeB和ZrIr结构是力学稳定的.B/G和泊松比均表明ZrRh具有很好的延展性.对ZrRh的态密度研究发现,增强的Rh4d态与Zr4d态杂化作用是ZrIr结构稳定的主要原因.     

KDP和尿素晶体电子结构的第一性原理研究

基于第一性原理的平面波超软赝势法对KDP(KH₂PO₄)和尿素(CH₄N₂O)晶体的能带结构、电子态密度、电荷差分密度以及布局分析进行了计算讨论.结果表明:尿素晶体中的C1-O1、C1-N1、N1-H2和N1-H1键都具有共价键特性,带隙值为4.636 eV,价带顶主要由H-1s与N、O的2p态贡献,导带底主要是H-1s与C、N、O的2p态贡献;KDP晶体的H1-O1键具有离子性而P1-O1则具有共价性,带隙宽度为5.713 eV,价带顶主要由O-2p以及P-3p贡献,导带底主要由H-1s、P-3s和3p以及K-4s和3p态贡献.     

钾钡共掺菲分子结构和电子特性的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波赝势法,对钾钡共掺杂情形下菲分子晶体的结构、能带、电子态密度、形成能、电荷转移等电子特性进行系统的研究.通过对比计入范德瓦尔斯力作用前后晶体结构的差异,说明计算中包含范德瓦尔斯力修正的重要性.从形成能的角度证明了共掺杂的可行性和稳定性.在钾钙、钾锶、钾钡等共掺杂元素组合中,K_1Ba_1-菲中平均每个金属原子的形成能为-0.25 eV,远大于K_1Sr_1-菲和K_1Ca_1-菲中的-0.13和-0.04 eV,钾钡共掺杂是最合理的方案.只有单双价金属共掺杂,才能使分子呈现负三价.此时,菲分子最低未占据轨道(LUMO)和LUMO+1轨道组成的能带正好位于费米能级处,K_1Ba_1-菲呈现金属性.费米能级处的态密度为17.3 eV~(-1),电子态主要来自于碳原子的2p轨道,钡原子的5d轨道也有少许贡献.从理论模拟的角度研究了K_1Ba_1-菲的晶体结构和电子特性,在已有实验和理论研究尚未涉及共掺杂的背景下,提出了不同价态金属共掺杂方案,为制备芳烃有机超导体样品和调制体系电子结构提供了新的研究思路.     

C与Na掺杂AlN电子结构与光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)的平面波超软赝势法,计算了本征AlN,C-AlN,Na-AlN以及C-Na-AlN四种体系的电子结构和光学性质.得出结论：掺杂后各体系与本征AlN相比发生了晶格畸变,C-Na-AlN体系的结合能最小,体系最稳定.掺杂体系相比于本征AlN,禁带宽度都有不同程度的减小,导致电子在体系内跃迁时的概率增大,其中C-Na-AlN体系尤为明显,电子跃迁所需要的能量更小.掺杂后吸收带边发生了红移,拓宽了AlN体系对光的响应范围,增强了光吸收,并且C-Na-AlN体系在可见光区域内光吸收能力最强,在介电函数图的分析中可以得到,C-Na-AlN体系的介电常数最大,表明其电荷束缚能力最强,体系稳定性强,极化能力最好.     

掺铝3C-SiC电子结构的第一性原理计算及其微波介电性能

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法,对比研究了未掺杂和Al掺杂3C-SiC材料的电子结构和介电常数.结果表明:Al掺杂后,Fermi能级进入价带,带隙宽度略为加宽,在8.2—12.4 GHz范围内介电常数大幅度增大.利用燃烧合成法制备了Al掺杂的3C-SiC粉体吸收剂,通过矢量网络分析仪测试了样品在8.2—12.4 GHz范围内的微波介电常数,验证了理论计算结果,并讨论了微波损耗机理.     

含羟基结构熔石英光电性质的第一性原理研究

熔石英是高功率激光装置中广泛使用的激光透镜材料,采用第一性原理结合平面波赝势方法,研究了熔石英材料中羟基结构的生成模式,系统计算了材料的电子态密度、差分电荷密度、原子电荷布居分布,分析了包含羟基熔石英材料的光学跃迁模式,研究结果表明:熔石英中的三配位硅原子缺陷在禁带中生成了两条缺陷能级,分别位于7.8和8.8 eV;研究还发现氢原子与五配位硅原子发生相互作用生成羟基结构,该反应还使三配位硅原子的杂化方式由sp~2变为sp~3,这种羟基结构会影响体系的电子结构,使原有的7.8和8.8ev缺陷能级消失,并在费米面上生成一条半占据态缺陷能级,引起激发能为6.2 eV的光学跃迁。     

Mn-N共掺杂TiO_2电子结构和光学性质的第一性原理计算

本文采用第一性原理研究了Mn、N掺杂TiO_2和Mn-N共掺杂TiO_2的能带结构、态密度和Mn-N共掺TiO_2对体系介电函数与吸收谱的影响.研究结果表明,Mn掺杂TiO_2的能带结构的禁带内出现的杂质能级是由Mn的3d轨道贡献;N掺杂TiO_2在费米能级处的杂质能级则由O 2p,Ti 3d和N 2p轨道杂化形成;Mn-N共掺的TiO_2能带在费米能级处的杂质能级则由O 2p,Ti和Mn的3d以及N 2p轨道杂化形成;对于介电函数,在低能区间(2.5 e V),理想TiO_2无介电峰,Mn-N共掺体系则出现了两个介电峰,原因在于Mn 3d态和N 2p态使介电峰值向低能区移动;同时,与理想TiO_2的吸收谱相比,最大的变化是在可见光区出现了一个吸收峰,且在可见光区的响应的范围变宽.     

Mn-N共掺杂TiO2电子结构和光学性质的第一性原理计算

本文采用第一性原理研究了Mn、N掺杂TiO2和Mn-N共掺杂TiO2的能带结构、态密度和Mn-N共掺TiO2对体系介电函数与吸收谱的影响.研究结果表明,Mn掺杂TiO2的能带结构的禁带内出现的杂质能级是由Mn 的3d轨道贡献;N掺杂TiO2在费米能级处的杂质能级则由O 2p, Ti 3d和N 2p轨道杂化形成; Mn-N共掺的TiO2能带在费米能级处的杂质能级则由O 2p, Ti 和Mn的3d以及N 2p轨道杂化形成; 对于介电函数,在低能区间(<2.5 eV),理想TiO2无介电峰, Mn-N共掺体系则出现了两个介电峰,原因在于Mn 3d态和N 2p态使介电峰值向低能区移动;同时,与理想TiO2的吸收谱相比,最大的变化是在可见光区出现了一个吸收峰,且在可见光区的响应的范围变宽.