过渡金属钼高压物性的第一原理研究北大核心CSCD

在平面波赝势密度泛函理论的框架下,利用广义梯度近似(GGA)计算了体心立方(bcc)和双层密排六方(dhcp)结构的Mo在不同体积下的总能和焓值,算得的等温压缩线与前人的计算结果符合较好。对焓值作差,预测了620GPa压强附近bcc→dhcp的结构相变。根据声子谱的计算结果可知,在高压下,bcc结构可能会向dhcp或9R结构转变。力学稳定性的计算结果进一步显示,在620GPa以上,dhcp-Mo是能够稳定存在的相。结合准谐德拜模型研究了Mo在高压下的热力学性质,计算结果表明,在620GPa附近,bcc和dhcp结构Mo的热力学性质并无显著差异。     

采用第一性原理研究钼掺杂浓度对ZnO物性的影响

Mo掺杂ZnO的吸收光谱红移和蓝移两种相互冲突的实验结果均有报道,但是仍然没有合理解释.为了解决该问题,本文采用基于密度泛函理论的广义梯度近似平面波超软赝势+U方法,用第一性原理分析了Zn_(0.9583)Mo_(0.0417)O,Zn_(0.9375_Mo_(0.0625_O,Zn_(14)Mo_2O的能带结构、态密度和吸收光谱分布.结果表明,Mo掺杂量为2.08 at%—3.13 at%的范围内,随着掺杂量的增加,体系的体积逐渐增大,形成能逐渐升高,稳定性逐渐下降,掺杂逐渐困难.与此同时,所有掺杂体系均转化为n型简并半导体.与未掺杂ZnO相比,掺杂体系的带隙均变窄,吸收光谱均发生红移,Mo掺杂量越增加,掺杂体系带隙变窄减弱、吸收光谱红移减弱、电子有效质量越减小、电子浓度越减小、电子迁移率越减小、电子电导率越减小.同时,磁矩减小,掺杂体系的居里温度能达到室温以上.     

过渡金属掺杂氧化锌团簇的物性研究

本文采用第一性原理密度泛函理论研究了过渡金属（TM）原子Cr和Fe单掺杂和双掺杂(ZnO)12团簇的结构和磁性质。我们考虑了替代掺杂和间隙掺杂。结果表明Cr 和 Fe间隙掺杂团簇结构最稳定。团簇磁矩主要来自TM原子3d态的贡献,4s 和4p 态也贡献了一小部分磁矩。由于轨道杂化,相邻的Zn和O原子上也产生少量自旋。最近邻TM原子间的磁性耦合,主要由两个TM原子之间的直接短程铁磁耦合和TM和O原子之间通过p-d杂化产生的反铁磁耦合这两种相互作用的竞争来决定。不同TM原子掺杂团簇的总磁矩与TM原子种类以及掺杂位置有关,说明在(ZnO)12团簇中掺杂不同TM原子在可调磁矩的磁性材料的领域有潜在应用价值。     

第一过渡金属酞菁分子的电子结构的第一性原理计算

对第一过渡金属酞菁化合物(Metal Phthalocyanine,MPc,M=Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni和Cu)的电子结构和基本物理化学性质进行了第一性原理计算.理论模拟出来的STM图像表现出亚分子结构,与已有的实验观察结果相当吻合,且跟金属原子的d电子组态明显有关.在小偏压条件下,第一过渡金属首尾端ScPc,NiPc和CuPc分子的中央金属离子在STM图像表现为空洞,其他所有金属酞菁分子的中央金属离子均为亮斑.同时还研究了ScPc和NiPc分子的STM图像与偏压的关系,当针尖偏压分别 关键词： STM图像模拟 金属酞菁 电子结构     

二维kagome晶格过渡金属酞菁框架的第一性原理研究

本文提出了一种新型的具有kagome晶格结构的二维过渡金属酞菁薄膜(记为kag-TMPc),并通过第一性原理计算的方法系统的研究了其电子和磁学性质. 研究结果表明,二维kag-MnPc薄膜具有稳定的铁磁基态,通过基于海森堡模型的蒙特卡洛模拟,得到其居里转变温度为125 K. 二维kag-CrPc薄膜是自旋$S$=2的基态磁序为RT3态的理想kagome反铁磁材料. 光吸收谱的研究证明,与过渡金属酞菁分子相比,这种自组装形成的二维kagome过渡金属酞菁框架具有更广阔的光吸收范围,特别是在可见光区域.     

3d过渡金属磷系化合物半金属铁磁性的第一性原理研究

在基于密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA)下,采用第一性原理平面波赝势(PWP)方法,对3d过渡金属磷系闪锌矿结构的化合物XY(X=V、Cr、Mn,Y=P、As、Sb)的电子结构进行了计算,通过分析它们的能带结构、态密度、磁矩等,发现除闪锌矿结构的化合物MnP和MnAs不是真正的半金属铁磁体外,其余闪锌矿结构的化合物在能带结构和态密度均体现出半金属特征.     

偶氮四唑胍盐GZT高压物性的第一性原理计算

偶氮四唑胍盐GZT具有良好的爆轰性能和较低的感度,是潜在的高能钝感炸药和气体发生剂.目前针对GZT的研究主要集中在常温常压状态下,而对其在高压等极端条件下的研究极少开展,其压力下的结构稳定性、电子性质以及氢键相互作用还有待深入分析.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了GZT在0～50 GPa压力下的结构稳定性、电子结构以及氢键相互作用.研究结果表明,GZT在此压力范围内没有发生结构转变,其结构在x轴方向上氢键分布稀少的特点导致了它沿此方向容易被压缩,C1-N1是结构中表现得最不稳定的化学键.同时,GZT属于间接带隙化合物,带隙随着压力的增加而单调递减,感度增加.此外,N-H^…N类型的氢键在GZT所有的相互作用中占据主导地位氢键沿yz平面的贡献占主要地位,沿x轴贡献很少.压力使得氢键相互作用的范围扩大且距离缩短.     

铀高压状态方程的第一原理研究

利用基于密度泛函理论的赝势平面波方法,研究了铀的状态方程。基态计算结果表明:在100GPa的压强范围内,α-U结构是最稳定的相。利用量子分子动力学方法(QMD),计算了有限温度下的状态方程,在此基础上计算了冲击Hugoniot点,并与实验数据及其他理论计算结果进行了比较,结果表明:在100GPa以下的压力区域内,QMD计算结果与实验结果符合得很好,而用快速计算状态方程(QEOS)方法计算的结果偏软。     

过渡金属与碳共掺ZnO磁光学性质的第一性原理研究

采用密度泛函理论第一性原理超软赝势的方法,计算了过渡金属与C共掺杂ZnO的磁学和光学性质. 计算结果表明,共掺杂均导致费米能级发生移动,掺杂体系共价性强弱发生变化,且共掺杂更有利于高居里温度铁磁性半导体的实现;为了进一步分析掺杂体系的磁学性质,研究了其铁磁态与反铁磁态的能量差、空间电荷和自旋密度分布．各种类型掺杂体系在高能区的光学性质与纯净ZnO几乎一致,而在低能区却存在较大差异,结合电子结构定性解释了光学性质的变化.     

过渡金属氮化物中单原子固溶和力学性能的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理,计算Si原子在Ti族和V族氮化物中以及B、C和Ge原子在TiN晶体中固溶的稳定结构,讨论置换型和间隙型固溶的低能量稳定结构与晶体间距的关系,研究金属氮化物和固溶原子固溶结构的力学性能.结果表明:Si原子在TiN、ZrN、HfN和TaN晶体中固溶以及Ge原子在TiN晶体中固溶情况为,单原子不进入对应过渡金属氮化物晶体中形成间隙固溶或置换固溶,随着晶体间距离变化单原子可以在晶体之间形成间隙固溶或置换固溶;Si原子在NbN以及B原子在TiN晶体中可以实现间隙固溶,而不能形成置换固溶;Si原子在VN和C原子在TiN晶体中固溶结构形式均为置换固溶.单原子固溶形成低能量置换型固溶体和间隙型固溶体的弹性常数、体模量和剪切模量均低于原过渡金属氮化物的对应值.     

几种三元过渡金属碳化物弹性及电子结构的第一性原理研究

基于密度泛函理论平面波方法研究了六方WC型Re_xW_1－xC(x=1, 0.25, 0.75, 0),Re_0.5Os_0.5C和Os_0.5W_0.5C的晶体结构、弹性和电子结构性质.研究发现Re_0.25W_0.75C晶体具有优异的弹性性能及稳定性,其剪切模量(312 GPa)超过了所有其他实验合成和     

5d过渡金属原子吸附氮化硼纳米管的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了氮化硼纳米管六元环中心吸附5d过渡金属原子后体系的几何结构,电子结构和磁性性质.研究发现,吸附原子向一个氮原子或硼原子偏移;吸附体系在费米能级附近出现明显的杂质能级;各个体系的总磁矩随原子序数出现规律性变化,局域磁矩主要分布在吸附原子上.     

5d过渡金属原子掺杂氮化硼纳米管的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了当氮化硼纳米管（BNNT）中的B原子和N原子被5d过渡金属原子（Lu,Hf,Ta,W,Re,Os,Ir,Pt,Au,Hg）取代时BNNT的几何结构、电子结构和磁性性质. 作为对比,给出了理想BNNT,B缺陷体系（V_B）和N缺陷体系（V_N）的相应结果. 研究发现：5d原子取代B（B_5d）时体系的局域对称性接近于C_3v,但是取代N（N_5d）时体系的局域对称性偏离C_3v对称性较大;利用相同的5d原子进行掺杂时,B_5d的成键能比N_5d的成键能大;对于B_5d或者N_5d,其成键能基本上随着5d原子的原子序数的增大而降低;掺杂体系中出现了明显的杂质能级,给出了态密度等结果;不同掺杂情况的磁矩不同,取代B 时体系的总磁矩呈现出较强的规律性. 利用对称性和分子轨道理论解释了5d原子取代B时杂质能级的产生和磁性的变化规律. 关键词： 第一性原理计算 5d过渡金属原子 氮化硼纳米管 密度泛函理论     

5d过渡金属原子吸附氮化硼纳米管的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 研究了氮化硼纳米管六元环中心吸附5d过渡金属原子后体系的几何结构, 电子结构和磁性性质. 研究发现, 吸附原子向一个氮原子或硼原子偏移; 吸附体系在费米能级附近出现明显的杂质能级; 各个体系的总磁矩随原子序数出现规律性变化, 局域磁矩主要分布在吸附原子上.     

高压下金属Ba的结构稳定性以及热动力学的第一原理研究

采用第一原理方法计算了高压下金属Ba的三个高压相 Ba-I, Ba-Ⅱ和Ba-V的稳定性及热动力学性质.结果表明, Ba的三个高压相在0 K时在其压力范围内都是动力学和力学稳定的;但随压力增加, Ba-I 和Ba-Ⅱ 的声子谱频率出现异常"软化",而Ba-V则出现"硬化".虽然 Ba-Ⅱ 和 Ba-V 同为六方密堆(hcp)结构,计算表明它们在高压下表现出了不同的弹性各向异性.计算同时发现 Ba-Ⅱ 在更高的压力下仍满足力学稳定条件,但声子谱有虚频存在, 表明动力学失稳是Ba-Ⅱ在压力下向Ba-I!V相转变的原因. 计算和比较了同为六方密堆(hcp)结构的Ba-Ⅱ和Ba-V在高压下的声速、 德拜温度、体模量、剪切模量等力学和热学性质, 展现了金属Ba在压力下的稳定机制和热动力学性质.     

过渡金属单硼化物TMB的第一性原理研究

基于密度泛函理论平面赝势波法的第一性原理计算,研究过渡金属单硼化物TMB（以3d系列中的TiB、VB和CrB;4d系列中的ZrB、NbB和MoB;5d系列中的HfB、TaB和WB为例）的热力学稳定性、力学性质和微观机制.发现过渡金属单硼化物的热力学稳定与硬度异常的规律.当价电子浓度为8 e·（f.u.）^-1时,热力学最稳定,且硬度最高.计算TMB的电子结构,发现TMB的价电子浓度为8 e·（f.u.）^-1时,pd共价键合,有效阻碍了金属双层之间的位错滑动,防止剪切变形,致使其具有高硬度.     

过渡金属掺杂β-GeS的电子性能和光学性质的第一性原理研究

运用第一性原理计算方法系统研究了二维单层β-GeS中取代掺杂不同3d过渡金属原子时体系磁性、能带结构和光学性质的变化.结果表明：相比于本征非磁性β-GeS,取代掺杂Ti～Cu导致β-GeS具有磁性,且磁矩呈现出先增加后减小的变化趋势;掺杂后体系能带结构发生明显变化,分别表现出金属,半金属和半导体性质,而且导带底的位置明显向Fermi能级方向移动.相比于本征体系,非本征体系的光学性质表明：其在一定波段范围内出现蓝移现象以及光响应强度发生变化,且掺杂前后体系均表现出高的各向异性.     

金属氢化物力学性能的第一性原理研究

采用第一性原理方法详细研究了氟化钙结构的多种金属氢化物MH₂ (M= La, Nd, Gd, Tb, Y, Dy, Ho, Er, Lu, Sc, Ti, Zr, Hf)的力学性质(弹性常数、体弹模量、剪切模量、杨氏模量).计算结果表明, MH₂ (M= La, Nd, Gd, Tb, Y, Dy, Ho, Er, Lu, Sc)在低温下具有稳定的氟化钙结构,其抵抗体积形变, 切应变和拉伸(或压缩)形变的能力从LaH₂, NdH₂, GdH₂, TbH₂, YH₂, DyH₂, HoH₂, ErH₂, LuH₂到ScH₂逐次递增, 而MH₂ (M= Ti, Zr, Hf)在低温下的氟化钙结构不稳定.通过对两种稳定的氢化物(TbH₂, ErH₂) 和两种不稳定的氢化物(TiH₂, HfH₂)的电子态密度以及差分电荷密度进行对比, 发现它们的稳定性与金属和氢之间的相互作用有密切关系.     

5d过渡金属氧化物—Weyl半金属奇异量子物性研究

绝缘体系统的拓扑量子行为是当前物理学领域的焦点。那么没有能隙的金属体系是否也有拓扑非平庸行为呢?答案是肯定的,5d过渡金属元素既有着大的自旋轨道耦合,又有着不可忽略的电子关联作用,由其构成的材料体系因而具有奇异的量子物性。本文先简介人们最近关注的几类5d材料,着重讨论烧绿石结构铱(Ir)氧化物(A2Ir2O7,其中A=Y或稀土元素)。我们通过第一性原理计算结合有效模型成功地预言了这一大类磁阻挫材料的基态磁构型,并预言A2Ir2O7是Weyl半金属。我们发现和拓扑绝缘体一样,作为一种新型拓扑量子态,Weyl半金属态也具有其拓扑性质:Weyl点是受拓扑保护稳定的;Weyl半金属有着受拓扑保护的表面态,即非闭合的费米面(Fermi arc);它对外场的响应也由其拓扑性质决定(只与Weyl点的位置有关,和能带的细节无关)。我们进一步预言尖晶石结构锇(Os)氧化物(AOs2O4,其中A=Ca或Sr)是有着特别磁电响应的Axion绝缘体。最后我们讨论了电子关联、自旋轨道耦合、磁序结构对钙态矿结构锇氧化物的影响,进一步确定NaOsO3是由磁序导致金属–绝缘体相变的Slater绝缘体。     

石墨烯过渡层对金属/SiC接触肖特基势垒调控的第一性原理研究

由于SiC禁带宽度大,在金属/SiC接触界面难以形成较低的势垒,制备良好的欧姆接触是目前SiC器件研制中的关键技术难题,因此,研究如何降低金属/SiC接触界面的肖特基势垒高度(SBH)非常重要.本文基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,结合平均静电势和局域态密度计算方法,研究了石墨烯作为过渡层对不同金属(Ag,Ti,Cu,Pd,Ni,Pt)/SiC接触的SBH的影响.计算结果表明,单层石墨烯可使金属/SiC接触的SBH降低;当石墨烯为2层时,SBH进一步降低且Ni,Ti接触体系的SBH呈现负值,说明接触界面形成了良好的欧姆接触;当石墨烯层数继续增加,SBH不再有明显变化.通过分析接触界面的差分电荷密度以及局域态密度,SBH降低的机理可能主要是石墨烯C原子饱和了SiC表面的悬挂键并降低了金属诱生能隙态对界面的影响,并且接触界面的石墨烯及其与金属相互作用形成的混合相具有较低的功函数.此外,SiC/石墨烯界面形成的电偶极层也可能有助于势垒降低.