K、Ti掺杂Mg2Si电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用第一性原理方法,对本征Mg₂Si以及K和Ti掺杂Mg₂Si的几何结构、电子结构和光学性质进行计算分析。计算结果表明本征Mg₂Si是带隙值为0.290 eV的间接带隙半导体材料,K掺杂Mg₂Si后,Mg₂Si为p型半导体,电子跃迁方式由间接跃迁变为直接跃迁,Ti掺杂Mg₂Si后,Mg₂Si为n型半导体,仍然是间接带隙。K、Ti掺杂后的静介电常数ε₁(0)从20.52分别增大到53.55、69.25,使得掺杂体系对电荷的束缚能力增强。掺杂后,吸收谱和光电导率均发生红移现象,这有效扩大了对可见光的吸收范围,此外可见光区的吸收系数、反射系数以及光电导率都减小,导致透射能力增强,明显改善了Mg₂Si的光学性质。     

单层BiSbTeSe2热电性能的第一性原理研究

本文利用第一性原理计算并结合玻尔兹曼输运方程,预测了一种热电性能优良的新型Bi₂Te₃基材料,即单层BiSbTeSe₂。通过系统计算单层BiSbTeSe₂的电子能带结构和热电输运性质,发现单层BiSbTeSe₂在300 K时的塞贝克系数达到最高值(522μV·K^-1),在500 K时功率因子与弛豫时间的比值最大为5.78 W·m^-1·K^-2·s^-1。除此之外,单层BiSbTeSe₂还具有较低的晶格热导率和较高的迁移率。在最佳p型掺杂下,单层BiSbTeSe₂在500 K时的热电优值ZT高达3.95。单层BiSbTeSe₂的优良性能表明其在300～500 K的中温热电器件领域具有潜在的应用价值,可以为进一步开发高性能Bi₂Te₃基热电材料提供设计依据。     

立方晶系Ca_2Si声子色散和热力学性质的第一性原理计算（英文）

采用模守恒贋势和超软贋势两种方法分别计算立方晶系Ca_2Si的声子色散关系、声子态密度和热力学特性。运用线性响应方法和有限位移方法确定立方晶系Ca_2Si的声子色散关系和声子态密度,得到立方晶系Ca_2Si的声子振动模式是各向异性,且立方晶系的Ca_2Si是不稳定结构。在声子色散关系确定的基础上分别计算定容热容、焓、熵和自由能随温度的变化关系,得到Cv-T曲线在低温条件下符合德拜第三定律;当T=1000K时,立方晶系Ca_2Si的热熔Cv=21 J·mol~(-1)·K(-1);在高温条件下,随着温度的增加Cv→3R。通过分析声子色散、振动关系和热力学特性得到立方晶系Ca_2Si的振动系统由声子和电子组成。     

La-W共掺杂对AgSnO2触头材料热性能影响的仿真分析

针对目前较少有学者通过共掺杂其他元素对AgSnO2触头热性能进行研究的现状.采用对SnO2晶体进行非掺、单掺La和共掺La-W元素的方法,通过密度泛函理论、第一性原理以及CASTEP软件对掺杂体系的热学性质进行理论计算,得到了不同掺杂情况下SnO2晶体的声子谱、声子态密度及分波态密度和相关热力学参量,对计算结果和曲线图进行了理论分析.结果 表明:当掺杂浓度为16.67;时,共掺杂La-W元素的SnO2体系声子谱未出现虚频,而单掺La元素体系出现了虚频,说明共掺杂体系较稳定.通过分析态密度图及分波态密度图可以得到,W原子混合掺杂后可有效改善La原子的振动情况.通过SnO2晶体热力学性质的分析,共掺杂后体系的熵、自由能以及焓的曲线有较好改善,为AgSnO2触头材料在恶劣环境下受到损害后恢复到原状提供了有利条件.且掺杂后晶体的热容明显大于未掺杂晶体的热容,说明La-W元素的掺杂极大的激活了分子的运动活性.     

立方晶系Ca2Si声子色散和热力学性质的第一性原理计算

采用模守恒贋势和超软贋势两种方法分别计算立方晶系Ca2Si的声子色散关系、声子态密度和热力学特性.运用线性响应方法和有限位移方法确定立方晶系Ca2Si的声子色散关系和声子态密度,得到立方晶系Ca2Si的声子振动模式是各向异性,且立方晶系的Ca2Si是不稳定结构.在声子色散关系确定的基础上分别计算定容热容、焓、熵和自由能随温度的变化关系,得到Cv-T曲线在低温条件下符合德拜第三定律;当T=1000K时,立方晶系Ca2Si的热熔Cr=21J·mol-1 ·K-1;在高温条件下,随着温度的增加Cv→3R.通过分析声子色散、振动关系和热力学特性得到立方晶系Ca2Si的振动系统由声子和电子组成.     

Ti掺杂对Li-Mg-N-H材料储氢性能影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,研究了Ti掺杂对Li₂MgN₂H₂材料储氢性能的影响及作用机理,计算给出了杂质替换能、生成焓、能带结构、态密度、差分电荷密度及布居等。研究表明,Ti掺杂Li₂MgN₂H₂体系时,其倾向于替换其中的Mg原子,且当替换8c位置的Mg时,杂质替换能最低,晶体结构最为稳定。生成焓计算结果表明,Ti掺杂能够有效降低Li₂MgN₂H₂的结构稳定性,有利于其吸氢反应的进行。进一步结合电子结构分析发现,Ti掺杂使得Li₂MgN₂H₂材料的晶胞体积增大,能隙降低,同时Ti与N原子之间较强的相互作用使得Li—N和N—H键的成键峰峰值降低,键强减弱,这些因素均有利于Li₂MgN₂H₂材料吸氢动力学性能的提高。     

Co掺杂β-FeSi2化合物的热电性能及电子结构的第一性原理研究

采用机械合金化结合后续热处理成功制备出Fe1-xCoxSi2化合物,探讨Co掺杂对化合物热电性能的影响;利用基于密度泛函理论赝势平面波方法对Co掺杂前后β-FeSi2的电子结构进行计算。结果表明:Co元素掺杂量x应控制在0～0.05之间;β-FeSi2的费米面位于价带顶,其电阻率随温度升高而降低,为非简并半导体;Co掺杂后费米面进入导带底,使其成为n型简并半导体,电阻率较掺杂前大幅度降低;本实验条件下,热电性能检测发现,当x=0.03,温度873 K时,试样的功率因子达到最大值为60μW.m-1.K-2。     

AgAlSe2晶体高压相变的第一性原理研究

基于密度泛函理论,采用广义梯度近似法,研究了黄铜矿结构AgAlSe₂在高压下的晶体结构、晶格动力学稳定性与电子结构.结果显示:在0 GPa时AgAlSe₂的晶格参数与实验值吻合,在13.9 GPa附近,质量密度、Se-Ag键长、Se-Al键长、晶格常数a突然增大,相对晶胞体积V/V₀、晶格常数c突然减小,声子谱出现虚频,结构变得不稳定,带隙发生突变,数值呈减小趋势.表明AgAlSe₂晶体在13.9 GPa附近发生结构相变.该研究为AgAlSe₂晶体在理论上所能承受的高压提供信息支撑.     

面向集装箱安检应用的Mg4Ta2O9闪烁晶体及其掺杂改性

钽酸镁(Mg₄Ta₂O₉)晶体的衰减时间快于CdWO₄晶体,光产额及能量分辨率高于CdWO₄晶体,低余辉特性和CdWO₄类似,在0.01%/3 ms左右,又由于Mg₄Ta₂O₉晶体材料无毒性元素,使其成为具有替代含有毒Cd元素的CdWO₄晶体,应用于集装箱安检领域的最佳候选材料之一。本文综述了Mg₄Ta₂O₉晶体的结构特性、晶体生长、闪烁性能及掺杂改性等方面的研究进展,发现通过掺杂Zn或Nb能显著提高其光产额。     

Mn掺杂LiNbO3结构ZnTiO3的磁性和光电性质的第一性原理研究

采用密度泛函理论计算了Mn掺杂LiNbO₃结构的ZnTiO₃(LN-ZnTiO₃)的磁性和光电性质。计算结果表明Mn掺杂LN-ZnTiO₃倾向占据Zn位,形成稳定的3d⁵电子构型。Mn替代Zn位掺杂可以为LN-ZnTiO₃提供较大的局域磁矩,约为5 μB。同时在价带顶附近形成明显的Mn-3d和O-2p轨道的受主能级,降低了材料的带隙,促进可见光的吸收。在LN-ZnTiO₃中掺杂Mn可以同时实现较大的局域磁矩和p型半导体的特性,拓展了材料在磁学和可见光吸收领域的应用。     

Nd掺杂Mg2Si电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,探究了未掺杂Mg2 Si以及Nd掺杂Mg2 Si的能带结构、态密度和光学性质.计算结果表明:Nd掺杂Mg2 Si后,Mg2 Si禁带宽度从0.290 eV降低到0 eV,导电性能提升;未掺杂的Mg2 Si,当光子能量大于0.9 eV时,才开始慢慢具备吸收能力,掺杂Nd之后...     

Fe掺杂α-Bi2O3光电性质的第一性原理研究

采用第一性原理杂化泛函HSE06方法对Fe掺杂α-Bi2 O3的电子结构和光学性质进行了计算研究.结果表明,Fe掺杂α-Bi2 O3体系有较小的结构变形,本征α-Bi2 O3的禁带宽度为2.69 eV,Fe掺杂使α-Bi2 O3的禁带宽度减小(约为2.34 eV).对其光学性质研究得出Fe掺杂扩展了α-Bi2 O3对可...     

Ni、Mo共掺杂对SnO2材料性能影响的仿真研究

针对AgSnO₂触头材料存在的不足,采用基于密度泛函理论的第一性原理对SnO₂、Ni单掺杂、Mo单掺杂以及Ni-Mo共掺杂SnO₂材料进行了电性能与力学性质的研究,计算了各体系的形成能、能带结构、态密度、弹性常数等各项参数。结果表明,掺杂后的材料可以稳定存在,且仍为直接带隙半导体材料。与未掺杂相比,掺杂后体系的能带结构带隙值减少,其中Ni-Mo共掺杂时的带隙值最小,载流子跃迁所需能量减少,极大地改善了SnO₂的电性能;由弹性常数计算了剪切模量、体积模量、硬度等参数,其中Ni-Mo共掺杂时的硬度大幅降低,韧性增强,有利于AgSnO₂触头材料后续加工成型,且其普适弹性各向异性指数最小,不易形成裂纹。综合各项因素,Ni-Mo共掺杂能够很好地改善SnO₂的性能,为触头材料的发展提供了理论指导。     

Ho3+掺杂对六角YMn0.8Fe0.2O3微结构和磁性质的调控

本文利用高温固相反应法合成了六角Y_1-xHo_xMn_0.8Fe_0.2O₃多晶样品,研究Ho³⁺掺杂对YMn_0.8Fe_0.2O₃微结构以及磁性质的影响。X射线衍射和拉曼测量结果显示所有样品均为单相六角结构,当Ho³⁺掺杂浓度低于0.15时,晶格常数a、c,晶胞体积及Mn—O键长均随着掺杂浓度的增加而减小。A位稀土原子位移差以及拉曼声子模式的变化表明随着Ho³⁺掺杂比例增加,A位稀土原子相对于平面的偏移减小,MnO₅双锥体倾斜角减小,B位Mn³⁺的三聚作用被削弱,Mn³⁺—O^2-—Mn³⁺间超交换作用减弱,反铁磁(AFM)序被抑制,反铁磁转变温度下降。磁性测量显示低温下Y_0.9Ho_0.1Mn_0.8Fe_0.2O₃的磁化强度显著增强,弱铁磁(WFM)序增加,归因于Ho³⁺加入后系统磁阻挫行为的降低及Ho³⁺—O^2-—Mn³⁺间自旋交换作用产生的铁磁序。这为进一步探索室温多铁性材料提供了思路。     

第一性原理研究Ag掺杂及缺陷共存对ZnO光催化性质的影响

运用第一性原理研究了Ag掺杂及缺陷共存对ZnO光电性质的影响。计算结果表明富O条件有利于Ag的掺杂,贫O条件不利于Ag的掺杂。Ag掺杂浓度较低时有利于模型的稳定,其在富O或贫O条件下都以Ag_Zn为主要掺杂方式。当Ag掺杂浓度较高时,富O条件下以Ag_Zn-Ag_Zn为主要掺杂方式,贫O条件下Ag_Zn-Ag_i是较为有利的掺杂方式。富O条件下Ag掺杂较难引入V_Zn和O_i共存缺陷。贫O条件下优先出现的模型为V_O,V_O在一定程度上会促进Ag的掺杂。Ag掺杂降低了ZnO的带隙宽度,掺杂浓度越大模型带隙宽度越窄。V_Zn、V_O和O_i缺陷共存不同程度地增加了Ag掺杂模型的带隙宽度。Ag掺杂及V_Zn和O_i缺陷共存均使ZnO吸收边红移至可见光区,扩展了ZnO对太阳光的吸收范围,而Ag_Zn-V_O在可见光范围内依然是透明。在低能区紫外-可见光范围内,Ag_Zn-Ag_Zn表现出更高的光吸收率,但是相应形成能也高于Ag_Zn。V_Zn的引入提高了Ag_Zn-V_Zn和Ag_Zn-Ag_Zn-V_Zn对低能区紫外-可见光的吸收,V_O的引入有利于ZnO表面吸附更多的O₂进而产生更多的H₂O₂和·HO强氧化性物质,即V_Zn和V_O缺陷共存都有利于ZnO光催化性能的提高。     

La掺杂氧空位的α-Bi2O3电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于第一性原理的方法研究了本征α-Bi₂O₃、La掺杂、氧空位掺杂和共掺杂体系的电子结构与光学性质,以期获得性能比较优异的α-Bi₂O₃光催化材料。研究结果表明：掺杂后,体系结构变形较小,其中氧空位(V_O)掺杂和La-V_O共掺杂体系的禁带宽度价带和导带同时下移且在禁带中引入杂质能级,说明掺杂可以减小电子从价带激发到导带所需能量,有利于电子的跃迁。特别是相对于氧空位单掺杂,La-V_O共掺杂使杂质能级向导带底靠近,这个倾向可能使该复合缺陷成为光生电子捕获中心的概率大于成为光生电子-空穴对复合中心的概率;同时,La-V_O共掺杂导致导带底附近的能带弯曲的曲率增大即色散关系增强,从而降低了电子的有效质量,加速电子的运动,因此,La-V_O共掺杂能大幅改善光生电子-空穴对的有效分离。另一方面La-V_O共掺杂在显著扩展可见光吸收范围的同时,还极大地增强了可见光吸收强度。因此,La-V<...     

Ti3(ZnxAl1-x)C2固溶体热学、电学和力学性质的理论研究

采用第一性原理的密度泛函理论平面波赝势法, 通过投影缀加波(PAW)和广义梯度近似(GGA)系统地研究了Ti₃(Zn_xAl_1-x)C₂的结构、能量、声子性质、电子性质和弹性性质。对MAX相Ti₃AlC₂晶体中A位置的Al元素用Zn元素进行替换掺杂,构建出Ti₃(Zn_xAl_1-x)C₂(x=0,0.25,0.5,0.75,1)固溶体结构模型。计算分析表明:在所研究的掺杂浓度范围内Ti₃(Zn_xAl_1-x)C₂均是热力学、动力学和力学稳定的脆性材料;此外,Ti₃(Zn_xAl_1-x)C₂(x=0,0.25,0.5,0.75,1)均呈现金属性,在费米能级处的电子态密度主要贡献来自Ti-3d态,同时具有离子键、共价键和金属键的综合性质。随着Zn原子掺杂浓度的增加,在一定程度上其导电性和塑性均增强。