扭转形变对石墨烯吸附O原子电学和光学性质影响的电子理论研究

基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了扭转形变对石墨烯吸附O体系结构稳定性、电子结构和光学性质,包括吸附能、带隙、吸收系数及反射率的影响.研究发现,吸附O原子后,距O原子最近的C原子被拔起,导致石墨烯平面发生扭曲.吸附能计算表明,扭转形变使石墨烯吸附O原子体系结构稳定性下降,而扭转程度对结构稳定性影响微弱.能带结构分析发现,O原子的吸附使石墨烯由金属变成半导体,扭转形变发生时,可实现其从半导体到金属、再到半导体特性的转变.扭转角为12°的吸附O原子体系为间接带隙,而其他出现带隙的体系均为直接带隙.与本征石墨烯受扭体系相比,吸附O原子体系的电子结构对扭转形变的敏感度降低,其中扭转角在10°—16°范围内变化时,带隙始终稳定在0.11 eV附近,即在此扭转角范围内始终对应窄带隙半导体.在光学性能中,受扭转形变的吸附体系吸收系数和反射率峰值较未受扭转形变石墨烯吸附O原子体系均减弱,且随着扭转程度的加剧,均出现红移到蓝移的转变.     

二维BC2 N薄片的结构稳定性和电子性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,对二维BC₂N薄片的结构稳定性和电子性质进行了系统的研究.计算了BC₂N化合物16种可能的二维单层结构.对它们的能带结构分析发现,对称性最高的构型与石墨烯一样是一种半金属,而其他二维结构则为有不同带隙的半导体,其中最稳定的构型是带隙值为1.63 eV的直接带隙半导体.对最稳定构型的差分电荷密度分析和Bader分析发现:在最稳定的构型中,C–C键、C–N键、C–B键和B–N键主要以共价键的形式呈现,也具有比较明显的离子性.在应力作用下最稳定构型的单层BC₂N的带隙宽度会发生变化,压缩时带隙变宽,而拉伸时带隙变窄,但仍然为直接带隙半导体. 关键词： 2N')" href="#">BC₂N 单层原子薄片 电子结构 从头计算     

石墨烯吸附Al2Cl6分子的第一性原理与Monte Carlo研究

采用第一性原理与蒙特卡罗方法研究Al₂Cl₆气体分子在石墨烯表面的吸附性能与光电性质，结果表明：(1)石墨烯对Al₂Cl₆气体分子具有较强的物理吸附作用，两个Al原子的连线与石墨烯平面近乎平行且两个Al原子处于紧靠顶位的桥位位置时最稳定；(2)温度升高不利于Al₂Cl₆气体分子吸附并存在阶跃式降低，气体逸度增加有利于吸附并存在阶跃式升高，Al₂Cl₆气体分子插入石墨/双层石墨烯/多层石墨烯宜将温度维持在AlCl₃沸点附近，并增加气体的压力；(3)Al₂Cl₆的吸附对石墨烯的电子结构进行了调控，但没有明显改变石墨烯费米能级附近的态密度以及“赝能隙”;(4)Al₂Cl₆的吸附对体系光学参数的影响十分明显，静态介电常数提高近5倍，使体系屏蔽效应有较大增强，在长波波段的吸收性能、反射性能及光电导也有了明显提升.     

二维Li+BC3结构高储氢容量的研究

本文基于第一性原理密度泛函理论, 证实了锂原子可以均匀地吸附在二维结构的BC₃片两侧, 同时被吸附的锂原子不会抱团. 通过计算表明, 被吸附的锂原子浓度达到33.3%时, Li+BC₃体系具有最高的储氢比例12.57 wt.%. 然后, 通过热力学分析预测了在室温 (300 K) 下, 115–250 atm之间, Li+BC₃体系可以达到上述储氢比例, 这不仅符合美国能源部的要求, 也满足了应用中的安全需要. 关键词： 第一性原理 储氢 3二维结构')" href="#">Li+BC₃二维结构     

气体吸附对V掺杂石墨烯电子结构与光学性质的影响

基于密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA),采用第一性原理方法研究了气体分子吸附对V掺杂石墨烯的吸附能、电子结构与光学性质的影响．能带结构计算表明:吸附NO₂分子的V掺杂石墨烯的带隙显著增加,从0 e V变为0.368 e V,由金属性转变为半导体特性,而吸附CO与NH₃分子的V掺杂石墨烯的带隙则变化很小．三种吸附构型(NO₂,CO,NH₃)的吸附能分别为-8.499 e V、-2.05 e V和-2.01e V,说明V掺杂石墨烯对NO₂气体分子吸附最强．进而计算了本征、V掺杂石墨烯及其吸附NO₂分子的光学性质,结果表明:随着V掺杂与吸附NO₂气体,石墨烯介电吸收峰值有所增大,介电峰位向低能量区域移动;本征石墨烯仅吸收紫外光,V掺杂石墨烯吸附NO₂分子可以明显拓宽光吸收的光谱范围;掺杂与吸附使得石墨烯光电导率显著增强,能在红外与可见光区产生光电流．上述结果表明V掺杂石墨烯吸附NO₂后...     

单层GaSe表面Fe原子吸附体系电子自旋性质调控

Ⅲ族金属单硫化物因其优越的光电和自旋电子特性而备受关注,实现对其自旋性质的有效调控是发展器件应用的关键.本文采用密度泛函理论系统地研究了GaSe表面Fe原子吸附体系的几何构型及自旋电子特性.Fe/GaSe体系中Fe吸附原子与最近邻Ga,Se原子存在较强的轨道耦合效应,使体系呈现100%自旋极化的半金属性.其自旋极化贡献主要来源于Fe-3d电子的转移及Fe-3d,Se-4p和Ga-4p轨道杂化效应.对于Fe双原子吸附体系,两Fe原子之间的自旋局域导致原本从Fe转移至GaSe的自旋极化电荷量减少,从而费米能级附近的单自旋通道转变为双自旋通道,费米能级处的自旋极化率转变为0.研究结果揭示了Fe_n/GaSe吸附体系自旋极化特性的形成和转变机制,可为未来二维自旋纳米器件的设计与构建提供参考.     

B36团簇组装一维纳米线的密度泛函研究

采用密度泛函理论计算方法系统研究了B₃₆团簇组装一维纳米线的几何结构、电子结构及稳定性.发现两种不同构型的B₃₆团簇组装纳米线静态结构能量相同,且均为动力学稳定结构,但二者电子结构明显不同:分别呈现出半金属和小带隙半导体特征.对两类纳米线的H原子吸附显示:半金属纳米线转变为半导体,而半导体纳米线仍保持为半导体,但带隙明显增大.表明H原子吸附对于B₃₆团簇组装纳米线的电子结构具有明显的调控作用.     

化合物SmCo5的电子结构、自旋和轨道磁矩及其交换作用分析

用自旋极化的MS-Xα方法研究了稀土-过渡族化合物SmCo5₅的电子态密度、自 旋能级劈裂及原子磁矩.研究结果显示，由于化合物中Sm-Co间的轨道杂化效应，使Sm原子原来的5d00空轨道上占据了少量5d电子.由于Co(3d)-Sm(5d)电子间的直接交换作用，导致了Sm-Co间的磁性交换耦合，这是化合物中形成Sm-Co铁磁性长程序的一个重要原因.在SmCo5_{5化合物中存在6个能级呈现负交换耦合，导致了SmCo55化 关键词： 电子结构 自旋极化 原子磁矩 交换耦合}     

含空位二维六角氮化硼电子和磁性质的密度泛函研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算, 研究了含B原子空位(V_B), N原子空位(V_N), 以及含B–N键空位 (V_B+N)缺陷的二维氮化硼(h-BN)的电子和磁性质. 在微观结构上, V_B体系表现为在空位附近的N原子重构成等腰三角形, V_N体系靠近空穴的B 原子形成等边三角形, V_B+N体系靠近空穴处的B和N原子在h-BN平面上重构为梯形. 三种空位缺陷都使h-BN的带隙类型从直接带隙转变为间接带隙. V_B体系的总磁矩为1.0 μ_B, 磁矩全部由N原子贡献. 其中空穴周围的三个N原子磁矩方向不完全一致, 存在着铁磁性和反铁磁性两种耦合方式. 对于V_N 体系, 整个晶胞内的总磁矩也为1.0 μ_B, 磁矩在空穴周围区域呈现一定的分布. 关键词： 二维h-BN 空位 电子结构 磁性     

功能化扶手椅型石墨烯纳米带异质结的磁器件特性

石墨烯在未来纳米电子器件领域具有广泛的应用前景, 但是基于扶手椅型石墨烯纳米带(AGNR)的磁输运性质的研究还比较少. 本文理论上提出AGNR边缘桥接过渡金属Mn原子, 再用双F 原子(或双H原子)饱和形成特殊化学修饰的纳米带(AGNR-Mn-F₂或AGNR-Mn-H₂), 并运用基于第一性原理和非平衡态格林函数相结合的方法对其磁输运性质进行理论计算. 结果表明: 这两种纳米带所构成的异质结(F₂-AGNR-Mn-H₂)具有优良的磁器件特性, 即在很宽的偏压范围内, 能实现100%的自旋极化, 且在P(在左右电极垂直加上相同方向的磁场)和AP构型(在左右电极垂直加上相反方向的磁场)时, 分别具有单自旋和双自旋过滤效应; 同时发现, 这种异质结也具有双自旋二极管效应, 它的最大整流比可达到10⁸. 此外, 改变开关磁场的方向, 即从一种磁构型变换为另一种磁构型时, 能产生明显的自旋阀效应, 其巨磁阻高达10⁸%. 这意味着这种特殊的异质结能同时实现优良的自旋过滤、双自旋二极管及巨磁阻效应, 这对于发展自旋磁器件有重要意义.     

Structural,electronic,and magnetic behaviors of 5d transition metal atom substituted divacancy graphene:A first-principles study

Structural, electronic, and magnetic behaviors of 5d transition metal(TM) atom substituted divacancy(DV) graphene are investigated using first-principles calculations. Different 5d TM atoms(Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, and Pt) are embedded in graphene, these impurity atoms replace 2 carbon atoms in the graphene sheet. It is revealed that the charge transfer occurs from 5d TM atoms to the graphene layer. Hf, Ta, and W substituted graphene structures exhibit a finite band gap at high symmetric K-point in their spin up and spin down channels with 0.783 μB, 1.65 μB, and 1.78 μB magnetic moments,respectively. Ir and Pt substituted graphene structures display indirect band gap semiconductor behavior. Interestingly, Os substituted graphene shows direct band gap semiconductor behavior having a band gap of approximately 0.4 e V in their spin up channel with 1.5 μB magnetic moment. Through density of states(DOS) analysis, we can predict that d orbitals of 5d TM atoms could be responsible for introducing ferromagnetism in the graphene layer. We believe that our obtained results provide a new route for potential applications of dilute magnetic semiconductors and half-metals in spintronic devices by employing 5d transition metal atom-doped graphene complexes.     

氟化硼碳平面的第一性原理研究

基于第一性原理的理论计算,研究了不同氟化程度的BC3,BC5,BC7的稳定结构和电子特征,发现通过B原子替代C原子,F原子与平面结构的结合能力更强了,氟化的硼碳结构比氢化的硼碳结构更加稳定.研究发现:当只有C原子与F原子成键时,体系变成半导体,而当B原子与F原子成键时,即所有原子都与F原子成键,体系变成导体.通过不同程度的氟化,BC3发生半导体-金属的转变,BC5和BC7发生金属-半导体-金属的转变.理论分析表明,B原子的pz轨道对电学性质变化有较大影响.由于其丰富的电学特性,此类氟化硼碳平面在纳米电子器件领域中具有潜在应用,并且该结果对实验合成也有一定的指导意义.     

石墨烯在Al_2O_3(0001)表面生长的模拟研究

基于密度泛函理论的广义梯度近似法,对用化学气相沉积法在蓝宝石(α-Al_2O_3)(0001)表面上生长石墨烯进行理论研究.研究结果表明:CH_4在α-Al_2O_3(0001)表面上的分解是吸热过程,由CH_4完全分解出C需要较高能量及反应能垒,这些因素不利于C在衬底表面的存在.在α-Al_2O_3(0001)表面,石墨烯形核的活跃因子并不是通常认为的C原子,而是CH基团.通过CH基团在α-Al_2O_3(0001)表面上的迁移聚集首先形成能量较低的(CH)_x结构.模拟研究(CH)_x对揭示后续石墨烯的形核生长机理具有重要意义.     

First-principles investigation of the valley and electrical properties of carbon-doped α-graphyne-like BN sheet

Based on ab initio density functional theory calculations, we demonstrate that two carbon-doped boron nitride analog of α-graphyne structures, B_3C_2N_3 and BC_6 N monolayers, are two-dimensional direct wide band gap semiconductors, and there are two inequivalent valleys in the vicinities of the vertices of their hexagonal Brillouin zones. Besides, B_3C_2N_3 and BC_6 N monolayers exhibit relatively high carrier mobilities, and their direct band gap feature is robust against the biaxial strain. More importantly, the energetically most favorable B_3C_2N_3 and BC_6 N bilayers also have direct wide band gaps, and valley polarization could be achieved by optical helicity. Finally, we show that BC_6 N monolayer might have high efficiency in photo-splitting reactions of water, and a vertical van der Waals heterostructure with a type-II energy band alignment could be designed using B_3C_2N_3 and BC_6 N monolayers. All the above-mentioned characteristics make B_3C_2N_3 and BC_6 N monolayers, bilayers, and their heterostructures recommendable candidates for applications in valleytronic devices,metal-free photocatalysts, and photovoltaic cells.     

Working Mechanism of a BC3 Nanotube Carbon Monoxide Gas Sensor

Carbon and BN nanotubes have previously demonstrated extreme sensitivity to several molecules, but they cannot be used to detect highly toxic molecules of CO. In this work, we examine the possibility of a BC₃ nanotube (BC₃NT) as a potential gas sensor for CO detection by using density functional theory calculations. It is found that CO molecule can be absorbed on B and C atoms of BC₃NT wall with adsorption energies in the range of -1.0 to -25.9 kcal/mol and it can donate finite charge to the tube. By comparing the HOMO/LUMO energy gaps of the bare and CO adsorbed nanotubes, we deduce that molecular CO can induce significant change in the electrical conductivity of the tube. The conductivity change can generate an electrical signal, which might be useful for CO detection.     

二硫化钼/石墨烯异质结的界面结合作用及其对带边电位影响的理论研究

采用基于色散修正的平面波超软赝势方法研究了二硫化钼/石墨烯异质结的界面结合作用及其对电荷分布和带边电位的影响.研究表明二硫化钼与石墨烯之间可以形成范德瓦耳斯力结合的稳定堆叠结构.通过能带结构计算,发现二硫化钼与石墨烯的耦合导致二硫化钼成为n型半导体,石墨烯转变成小带隙的p型体系.并通过电子密度差分图证实了界面内二硫化钼附近聚集负电荷,石墨烯附近聚集正电荷,界面内形成的内建电场可以抑制光生电子-空穴对的复合.石墨烯的引入可以调制二硫化钼的能带,使其导带底上移至-0.31 eV,提高了光生电子还原能力,有利于光催化还原反应.     

二硫化钨/石墨烯异质结的界面相互作用及其肖特基调控的理论研究

采用第一性原理方法研究了二硫化钨/石墨烯异质结的界面结合作用以及电子性质,结果表明在二硫化钨/石墨烯异质结中,其界面相互作用是微弱的范德瓦耳斯力.能带计算结果显示异质结中二硫化钨和石墨烯各自的电子性质得到了保留,同时,由于石墨烯的结合作用,二硫化钨呈现出n型半导体.通过改变界面的层间距可以调控二硫化钼/石墨烯异质结的肖特基势垒类型,层间距增大,肖特基将从p型转变为n型接触.三维电荷密度差分图表明,负电荷聚集在二硫化钨附近,正电荷聚集在石墨烯附近,从而在界面处形成内建电场.肖特基势垒变化与界面电荷流动密切相关,平面平均电荷密度差分图显示,随着层间距逐渐增大,界面电荷转移越来越弱,且空间电荷聚集区位置向石墨烯层方向靠近,导致费米能级向上平移,证实了肖特基势垒随着层间距的增加由p型接触向n型转变.本文的研究结果将为二维范德瓦耳斯场效应管的设计与制作提供指导.     

Li修饰的C24团簇的储氢性能

利用密度泛函理论研究了Li原子修饰的C₂₄团簇的储氢性能. Li原子在C₂₄团簇表面的最佳结合位是五元环. Li原子与C₂₄团簇之间的作用强于Li原子之间的相互作用, 能阻止它们在团簇表面发生聚集. 当Li原子结合到C₂₄表面时, 它们向C原子转移电子后带正电荷. 当氢分子接近这些Li原子时, 在电场作用下发生极化, 通过静电相互作用吸附在Li原子周围. 在Li修饰的C₂₄复合物中, 每个Li原子能吸附两到三个氢分子, 平均吸附能处于0.08到0.13 eV/H₂范围内. C₂₄Li₆能吸附12个氢分子, 储氢密度达到6.8 wt%.     

锑烯吸附金属Li原子的密度泛函研究

锑烯(antimonene)是继石墨烯和磷烯之后出现的新型二维材料,在锂离子电池等领域受到关注.本文基于第一性原理的密度泛函理论,计算研究了锑烯对Li原子的吸附特性,包括Li原子的最稳定吸附构型、吸附密度以及吸附Li原子的扩散路径.结果表明:Li原子最稳定的吸附位置位于谷位,即底层Sb原子之上、顶层三个Sb原子中心位置,吸附能为1.69 eV,吸附距离为2.81?;能带计算发现,锑烯为带隙宽度1.08 eV的间接带隙半导体,吸附Li原子后费米能级上升进入导带,呈现出金属性;原子分波态密度分析发现, Sb原子的p电子态和Li原子的p和s电子态形成明显的共振交叠,表现出杂化成键的特征;随着吸附Li原子数量增加,锑烯晶格结构和电子结构发生较大变化.通过微动弹性带方法计算发现, Li原子在锑烯表面的扩散势垒为0.07 eV,较小的势垒高度有利于快速充放电过程.