Mn掺杂Fe2B晶体结构、力学性能及电子结构的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,本文系统地研究了Fe8-xMnxB4 (x = 0, 0.25, 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ,8)的晶体结构、机械性能和电子结构。计算得到Fe2B的晶格常数与实验值相符,所有相都具有良好的热力学稳定性和机械稳定性。随着Mn掺杂浓度逐渐增大,Fe8-xMnxB4的各向异性先减弱后增强,Fe7.75Mn0.25B4的各向异性最弱。当Mn掺杂浓度较低时,Fe8-xMnxB4的硬度略微降低,韧性增强。除了Fe7Mn1B4、Fe6Mn2B4、Fe5Mn3B4、Fe4Mn4B4之外,其余的Fe8-xMnxB4相的韧性均比Fe2B好。由电子结构可以发现,Fe8-xMnxB4的力学性能主要由Fe-B键或Mn-B键决定。Mn掺杂到Fe2B中会使得B-B共价键增强,Fe2B的本征脆性得到改善,同时Fe2B的磁性不断减弱。     

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.     

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。     

Fe的结构与物性及其压力效应的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的平面波赝势方法，计算了Fe的几种不同晶体结构的总能量曲线，对HCP结构下晶体结构参数c/a随压强的变化关系做计算分析. 能量计算精度取为0.01 eV/atom. 计算得出： 1) 零温下Fe从bcc到hcp结构的相变压强约为15 GPa，与实验结果相一致； 2) 压强的升高会导致Fe的磁矩减小，最终破坏Fe的磁性； 3) 压强升高引起hcp晶体结构参数c/a缓慢增大，而在地核压强(135—360 GPa)范围内，c/a取常量约1.59能够满足计算精度的要求. 关键词： 第一性原理计算 压力效应 Fe的结构与物性     

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。     

Hf-C体系的高压结构预测及电子性质第一性原理模拟

本论文中, 采用晶体结构预测软件USPEX结合第一性原理方法全面地搜索了Hf-C体系在高压下的晶体结构, 预测得到了两种新的化合物及HfC在高压下的相变路径. 压力低于100 GPa 时, 除了常压下的结构HfC, Hf₃C₂, Hf₆C₅, 并没有得到新的热力学稳定结构. 在200 GPa时, 预测得到了一种新化合物——Hf₂C, 空间群为I4/m; 且HfC的结构发生了相变, 空间群由Fm3m变为C2/m. 在300 GPa时, 预测得到了另一种新化合物——HfC₂, 空间群为Immm. 而在400 GPa时, HfC的结构再次发生相变, 空间群为Pnma. 通过能量计算, 得到了Hf-C体系的组分-压力相图: 在压力分别低于15.5 GPa和37.7 GPa时, Hf₃C₂和Hf₆C₅是稳定的; 压力分别大于102.5 GPa和215.5 GPa时, Hf₂C和HfC₂变成稳定化合物; HfC的相变路径为Fm3m→C2/m→Pnma, 相变压力分别为185.5 GPa 和322 GPa. 经结构优化后, 得到了这四种高压新结构的晶体学数据, 如晶格常数、原子位置等, 并分析了其结构特点. 对于Hf-C 体系中的高压热力学稳定结构, 分别计算了其弹性性质和声子谱曲线, 证明是力学稳定和晶格动力学稳定的. 采用第一性原理软件VASP模拟高压结构的能带结构、态密度、电子局域函数和Bader 电荷分析, 发现HfC(C2/m, Pnma结构), Hf₂C 和HfC₂ 中Hf-C 键具有强共价性、弱金属性和离子性, 且C-C 间存在共价作用.     

Sb、Sm共掺杂SnO2的电子结构与光学性质第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,构建了Sm、Sb及Sm和Sb共掺杂SnO₂超晶胞模型,研究了经过几何优化后的各掺杂体系的焓变值、能带结构、态密度、电荷布居、介电常数、吸收系数、反射率等光电性质.结果表明：Sm和Sb的掺杂可以有效地提升SnO₂的导电性能,且Sb和Sm共掺杂体系的电学性能最佳. Sm和Sb掺杂还可以增加SnO₂在红外波段的电子极化能力和电子跃迁概率,提升了红外反射率,且共掺杂体系的电子束缚能力最强、反射率最高.这为SnO₂基光电材料的研制提供了一定的理论依据.     

第一性原理研究稀土掺杂ZnO结构的光电性质

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,运用Castep计算分析了Er, Gd两种稀土元素掺杂的ZnO结构, 对本征ZnO和掺杂晶体的能带结构、态密度以及光学性质进行了分析对比. 由掺杂前后的结果分析发现,稀土掺杂的ZnO结构引入了由稀土原子贡献的导电载流子, 增强了体系的电导率, 费米能级上移进入导带. 研究表明由于稀土元素的掺入, ZnO结构在费米能级附近出现了杂质能带, 这是由稀土的4f态电子所形成. 同时, 纯净ZnO与Er-ZnO, Gd-ZnO和(Er, Gd)-ZnO的介电函数虚部有明显的差异. 在光学性质上, 掺杂ZnO在可见光区的吸收系数和反射率都比纯净ZnO高, 能量损失峰出现红移现象. 关键词： ZnO 稀土 掺杂 第一性原理     

第一性原理研究Mg掺杂对LiCoO2正极材料结构稳定性及其电子结构的影响

LiCoO2作为商业化最早的锂离子电池正极材料,至今仍受到许多研究人员的广泛关注.高电压下LiCoO2面临着严重的容量衰减和性能下降等问题,实验上通常采用体相元素掺杂以稳定LiCoO2在高电压下的晶体结构,从而提高其电化学性能.Mg元素掺杂被认为是一种能够提高LiCoO2高电压循环稳定性的有效手段,但Mg的具体掺杂形式...     

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.     

掺杂BaHfO3电子结构与力学性能的第一性原理研究

在广义梯度近似(GGA)下,采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了掺杂对BaHfO3的电子结构与力学性能的影响.电子结构计算表明:优化的BaHfO3晶格常数与实验值吻合较好,BaHfO3为一种间接带隙的绝缘体材料.掺杂Sr和Ti后该材料仍为间接带隙材料,Ba0.5Sr0.5HfO3的带隙增大,绝缘体特征增强,而BaHf0.5Ti0.5O3的带隙显著减小,呈现出半导体材料的特征.由态密度分析可知,掺杂后带隙的变化主要是由于导带底的移动造成的.力学性能分析表明:与BaHfO3相比,Ba0.5 Sr0.5 HfO3的剪切模量和杨氏模量均明显减小,材料硬度减弱;BaHf0.5Ti0.5O3的剪切模量及杨氏模量均明显增大,材料硬度增强.电子密度分布分析揭示了掺杂改变体系价电子浓度的分布情况,使BaHfO3的价健特性发生了变化,这是材料硬度改变的内在原因.可见,掺杂能够有效地调控体系的硬度,该研究结果为掺杂BaHfO3力电材料的设计与应用提供了理论依据.     

铟钇金属间化合物力学性能的第一性原理计算

本文基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,对铟钇(In-Y)金属间化合物的力学结构稳定性、弹性性质和热力学性能进行了研究.通过结构优化得到了In_3Y、InY、InY_2三种金属间化合物的晶格常数,发现与实验值比较吻合.弹性常数的计算结果表明In-Y金属间化合物的结构是稳定的,由弹性常数推算出In_3Y、InY、InY_2三种合金的体积模量、杨氏模量、剪切模量、泊松比和各向异性等力学性质,发现InY_2合金的体积模量、杨氏模量、剪切模量要比其它两种的值大,其抗形变能力更强.本文还预测了In-Y金属间化合物的热力学性质,如德拜温度、热导率,通过第一性原理计算得到的In-Y金属间化合物的力学和热力学性质为In-Y合金材料的实际应用和材料设计提供了参考.     

PtN2的结构和力学性质的第一性原理计算

采用平面波赝势密度泛函理论方法计算了PtN₂的坐标、平衡态的晶格常数、体弹模量、剪切模量和弹性常数,计算结果与已有的实验值和理论值符合较好.通过能量与体积曲线,可知ST_AA结构比黄铁矿结构具有更低的能量.根据计算结果和Pugh提出的经验判据,PtN₂是易脆的硬物质,随着压强增加PtN₂的脆性逐渐过渡到延性.两种结构的能带结构和态密度表明了黄铁矿结构的PtN₂是半导体而ST_AA 关键词： 2')" href="#">PtN₂ 第一性原理 力学性质     

First-principles study on the electronic structure and optical properties of CrSi<Subscript>2</Subscript>

Using the first principle methods based on the plane-wave pseudo-potential theory, band structure, density of states and optical properties of CrSi₂ were studied. The calculation of band structure shows that CrSi₂ is an indirect semiconductor whose band gap is 0.353 eV. Density of states is mainly composed of 3d electron of Cr and 3p electron of Si. Dielectric function, refractive index, reflectivity, and absorption coefficient of CrSi₂ are also calculated. The calculation results of optical properties are in agreement with the experiments. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 60566001), the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (Grant No. 20050657003), the Scientific Research Foundation for the Returned Overseas Chinese Scholars, Ministry of Education of China (Grant No. (2005)383), the Program for Excellent Young Talents of Guizhou Province (No. 20050528), the Specialized Nomarch Research Fund for the Excellent Science and Technology and Education Talent’s Projects of Guizhou Province, the Scientific and Technological Projects for the Returned Overseas Chinese Scholars, Guizhou Province (Grant No. (2004)03), and the Top Talent’s Scientific Research Project of Organization Department of Guizhou Province.     

First-principles investigation on the structural and elastic properties of cubic-Fe_2 TiAl under high pressures

The structural, elastic, and thermodynamic properties of cubic-Fe 2 TiAl under high temperatures and pressures are investigated by performing ab initio calculation and using the quasi-harmonic Debye model. Some ground state properties such as lattice constant, bulk modulus, pressure derivative of the bulk modulus, and elastic constants are in good agreement with the available experimental results and theoretical data. The thermodynamic properties of Fe 2 TiAl such as thermal expansion coefficient, Debye temperature, and heat capacity in ranges of 0 K-1200 K and 0 GPa-250 GPa are also obtained. The calculation results indicate that the heat capacities at different pressures all increase with temperature increasing and are close to the Dulong-Petit limit at higher temperatures, Debye temperature decreases with temperature increasing, and increases with pressure rising. The cubic-Fe 2 TiAl is stable mechanically under 250 GPa. Moreover, under lower pressure, thermal expansion coefficient rises rapidly with temperature increasing, and the increasing rate becomes slow at higher pressure.     

MAX相Nb2SnC和Nb2SnN的力学和热力学性质的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理,在广义梯度近似下研究了MAX相Nb₂SnC和Nb₂SnN的力学、晶格动力学、电子以及热力学性质.通过弹性常数和声子的计算,研究了Nb₂SnC和Nb₂SnN两种结构的力学稳定性和动力学稳定性;通过对Nb₂SnC和Nb₂SnN的力学性质计算,证明了它们均具有较高的体积模量和剪切性,并且说明了Nb₂SnC和Nb₂SnN是具有弹性各向异性的韧性材料.此外,通过计算电子能带结构和态密度,研究了Nb₂SnC和Nb₂SnN的电子性质和成键性质,结果表明,两个化合物均具有金属导电性和较强的共价键,而且Nb₂SnN比Nb₂SnC具有更强的金属导电性.最后利用声子色散曲线预测了热容、自由能、焓和熵等热力学性质,结果标明,计算出的熵、焓和自由能值变化符合热力学第三定律.     

Ti掺杂NbSe2电子结构的第一性原理研究

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, 计算了理想2H-NbSe₂和Ti掺杂2H-NbSe₂晶体的几何结构及电子结构; 对掺杂前后超胞的能带图、态密度及分波态密度图进行了分析. 结果表明, 掺杂后费米能级附近能量区域的电子态密度出现了较高的峰值, 且费米能级位置发生了改变. 理论上可以认为Ti的掺杂会使得NbSe₂的导电性增强, 有利于开发新型的电接触复合材料.     

第一性原理研究厚度和空位缺陷对Si/SiO2界面电子结构与光学性质的影响

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,在局域密度近似（LDA）下研究了Si纳米层厚度和O空位缺陷对Si/SiO2界面电子结构及光学性质的影响．电子结构计算结果表明：在0.815~2.580nm的Si层厚度范围内,Si/SiO2界面结构的能隙随着厚度减小而逐渐增大,表现出明显的量子尺寸效应,这与实验以及其他理论计算结果一致;三种不同的O空位缺陷的存在均使得Si/SiO2界面能隙中出现了缺陷态,费米能级向高能量方向移动,且带隙有微弱增加．光学性质计算结果表明：随着Si纳米层厚度的减小,Si/SiO2界面吸收系数产生了蓝移;O空位缺陷引入后,界面光学性质的变化主要集中在低能区,即低能区的吸收系数和光电导率显著增加．可见,改变厚度和引入缺陷能够有效地调控Si/SiO2界面体系的电子和光学性质,上述研究结果为Si/SiO2界面材料的设计与应用提供了一定的理论依据．     

第一性原理研究厚度和空位缺陷对Si/SiO2界面电子结构与光学性质的影响

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,在局域密度近似（ LDA）下研究了Si纳米层厚度和O空位缺陷对Si／SiO2界面电子结构及光学性质的影响．电子结构计算结果表明：在0.815～2.580nm的Si层厚度范围内, Si／SiO2界面结构的能隙随着厚度减小而逐渐增大,表现出明显的量子尺寸效应,这与实验以及其他理论计算结果一致;三种不同的O空位缺陷的存在均使得Si／SiO2界面能隙中出现了缺陷态,费米能级向高能量方向移动,且带隙有微弱增加．光学性质计算结果表明：随着Si纳米层厚度的减小, Si／SiO2界面吸收系数产生了蓝移; O空位缺陷引入后,界面光学性质的变化主要集中在低能区,即低能区的吸收系数和光电导率显著增加．可见,改变厚度和引入缺陷能够有效地调控Si／SiO2界面体系的电子和光学性质,上述研究结果为Si／SiO2界面材料的设计与应用提供了一定的理论依据．