稀土-铱-锑合金热电材料的结构与量子化学计算研究

应用离散变分Ｘａ量子化学计算方法,研究了ＩｒＳｂ３,Ｉｒ４ＮｄＧｅ３Ｓｂ４和Ｉｒ４ＳｍＧｅ３Ｓｂ９三个ｓｋｕｔｔｅｒｕｄｉｔｅｓ的组成、结构、化学键和热电性能之间的关系。对Ｉｒ４ＮｄＧｅ３Ｓｂ９和Ｉｒ４Ｓｍｅ３Ｓｂ９,用多个模型研究了稀土元素振动的结构。计算结果表明,稀土原子靠近Ｇｅ原子的模型比靠近Ｓｂ原子的模型更为稳定,热导率也较低。Ｉｒ４ＮｄＧｅ３Ｓｂ９的共价键比Ｉｒ４ＳｍＧｅ３Ｓｂ９弱,Ｉｒ     

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。     

RyMxC04-xSb12化合物的晶格热导率

系统地研究了离子半径不同的Ba,Ce,Y作为填充原子及Fe,M作为置换原子对填充化合物RyMxCo4-xSb12晶格热导率的影响规律.结果表明在skutterudite结构的Sb组成的20面体空洞中,Ba,Ce,Y的填充原子能显著降低其晶格热导率,且晶格热导率降低幅度按Ba,Ce,Y离子半径减小的顺序而增大.Sb组成的20面体空洞部分被Ba,Ce填充时,晶格热导率最小,填充原子的扰动对声子的散射作用最强.在Co位置上Fe和M的置换,能显著地降低RyMxC2o4-xSb12化合物的晶格热导率,与Fe比,M对晶格热导率的影响更强.     

Ba和Ce两种原子复合填充BamCenFeCo3Sb12化合物的合成及热电性能

用多步固相反应法结合熔融法合成了单相的两种原子复合填充的p型方钴矿化合物Ba mCenFeCo3Sb12.并探索了两种原子复合填充对其热电性能的影响规 律，研究结果表明在相 同填充分数时BamCenFeCo3Sb12化合物的电导率介于单原子Bam FeCo3Sb12和CenFeCo3Sb12填 充的化合物之间，随Ba，Ce填充分数的增加，电导率下降；当填充分数相同时，两种原子复 合填充化合物的晶格热导率较单一原子填充化合物的晶格热导率低. 关键词： 方钴矿 双原子填充 电导率 晶格热导率     

NH_3在Ir(211)和Ir(221)表面吸附的第一性原理计算

采用密度泛函理论,结合周期性平板模型,研究了NH_3在Ir(211)和Ir(221)表面上的吸附行为.计算结果显示,在Ir(211)、(221)两个面上,NH_3的优势吸附位皆为脊上的top位,吸附能均达到1.0 eV以上,都为化学吸附.电子结构计算结果表明,NH_3通过其N原子的2p_z轨道与底物金属Ir的5d_z~2轨道混合吸附于表面.     

RyMxCO4-xSb12化合物的晶格热导率

系统地研究了离子半径不同的Ba，Ce，Y作为填充原子及Fe，Ni作为置换原子对填充化合物RyMxCO4-xSb12晶格热导率的影响规律．结果表明：在skunemdite结构的sb组成的20面体空洞中，Ba，Ce，Y的填充原子能显著降低其晶格热导率，且晶格热导率降低幅度按Ba，Ce，Y离子半径减小的顺序而增大．Sb组成的20面体空洞部分被Ba，Ce填充时，晶格热导率最小，填充原子的扰动对声子的散射作用最强．在Co位置上Fe和Ni的置换，能显著地降低RyMxCO4-xSb12化合物的晶格热导率，与Fe相比，Ni对晶格热导率的影响更强．     

孤立分散在SiO2基质中的半导体InSb纳米颗粒界面效应的MS-XANES研究

利用MS-XANES计算研究了嵌入在SiO₂介质中的InSb纳米颗粒的界面效应, 结果显示Sb K-XANES实验谱在白线峰强度增大和白线峰向高能一侧展宽这两个特点的起因是: 1. SiO₂介质透过界面处强的Sb-O共价键间接地影响和改变了InSb团簇中Sb原子内部的势分布; 2. 通过InSb纳米颗粒界面处存在着强的Sb-O共价键使得Sb原子的5p电子被耗尽来提高InSb纳米颗粒Sb原子的5p的空穴数. 这两方面共同决定了InSb纳米颗粒的Sb K-XANES实验谱在白线峰 强度的增大. 此外, 由于纳米颗粒的界面效应, 仅仅把白线峰的强度增大归因于吸收原子电荷转移带来的空穴数增加, 并依此通过白线峰的强度计算吸收原子的空穴数是不合理的.     

高压下Ir2P晶体结构预测与物理性质

在压强为0～100 GPa范围内,运用CALYPSO结构搜索技术,结合基于密度泛函理论中的第一性原理方法,对Ir_2P晶体进行结构预测,并对预测出的晶体结构和物理性质进行细致的研究。在常压下,预测得出α-Ir_2P相具有立方结构,其空间群为Fm3m,与实验所得结构一致;压强为86.4 GPa时,发生结构相变,由α-Ir_2P相转变为β-Ir_2P相,为四方结构,其空间群为I4/mmm。在相变过程中,晶体体积发生坍塌,并且出现不连续变化的一级相变。电子性质计算表明,86.4 GPa时,预测的β-Ir_2P相中导带和价带在费米面附近发生交叠,表明其结构具有金属性质;电子局域函数计算表明,β-Ir_2P相具有丰富的化学键,包括极性共价键、金属键和离子键;Bader电荷转移计算得出,由于Ir原子具有较强的电负性,β-Ir_2P相中每个P原子向每个Ir原子电荷转移0.19e。     

Mg-Si基热电材料量子化学计算

对于掺杂合适的元素Sb,Te,Ag,Cu使得Mg-Si基热电材料的热电性能大幅度提高的实验事实,欲从理论和计算上寻求支持,试图从原子、分子的层次上对此现象作出解释,因此建立了简化的Mg₂Si量子化学计算模型,采用密度泛函离散变分X_α量子化学计算法,计算了物质内部的结构信息,如共价键级和态密度等.计算结果表明,掺杂以后,晶体的共价键级被削弱,态密度图中的禁带宽度明显变窄,这与实验测试的结果是一致的.     

多壁碳纳米管对p型Ba0.3FeCo3Sb12化合物热电性能的影响

用两步固相反应法合成了P型Ba填充方钴矿化合物Ba0.3FeCo3Sb12，并采用放电等离子烧结法(SPS)制备了Ba0.3FeCo3Sb12／多壁碳纳米管复合材料．研究了Ba0.3FeCo3Sb12／多壁碳纳米管复合材料的结构及多壁碳纳米管对其热电性能的影响规律：SEM分析表明多壁碳纳米管比较均匀地分布在Ba0.3FeCo3Sb12基体中；随着碳纳米管添加量的增加，Ba0.3FeCo3Sb12／多壁碳纳米管复合材料的电导率下降、塞贝克系数略微下降、晶格热导率大幅度降低，当碳纳米管含量为5％时其晶格热导率最小；当碳纳米管的含量为3％时，本研究得到的Ba0.3FeCo3Sb12／碳纳米管复合材料的最大ZT值达0．78．     

Te—Se—I玻璃及添加As和Ge元素的结构,性能与量子化学计算研究

用自洽场离散变分Ｘα（ＳＣＦ－Ｘα－ＤＶ）量子化学计算方法研究了Ｔｅ－Ｓｅ－Ｉ玻璃及添加Ａｓ和Ｇｅ元素的体系，讨论了结构、性能与化学键之间的关系。计算表明离子键和共价键强度的次序都是Ｇｅ－Ｓｅ〉Ａｓ－Ｓｅ〉Ｔｅ－Ｓｅ，与相应的玻璃转变温度的实验结果一致。含有一配位碘原子的Ｔｅ－Ｉ键比含有二配位碘原子的Ｔｅ－Ｉ键强。Ａｓ－Ａｓ和Ａｓ－Ｉ键比两类Ｔｅ－Ｉ键都强。较强的Ａｓ－Ａｓ和Ａｓ－Ｉ键取代较弱的Ｔ     

基于界面原子混合的材料导热性能

构造了界面具有原子混合的硅锗(Si/Ge)单界面和超晶格结构.采用非平衡分子动力学模拟研究了界面原子混合对于单界面和超晶格结构热导率的影响,重点研究了界面原子混合层数、环境温度、体系总长以及周期长度对不同晶格结构热导率的影响.结果表明:由于声子的“桥接”机制,2层和4层界面原子混合能提高单一界面和少周期数的超晶格的热导率,但是在多周期体系中,具有原子混合时的热导率要低于完美界面时的热导率;界面原子混合会破坏超晶格中声子的相干性输运,一定程度引起热导率降低;完美界面超晶格具有明显的温度效应,而具有原子混合的超晶格热导率对温度的敏感性较低.     

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.     

炭黑填充橡胶两相复合体系的热导率

本文根据炭黑的结构特征和形态,对前期研究提出的炭黑/橡胶复合体系的热导率球形模型进行了改进,提出了新的预测模型,并推导出热导率计算方程。利用球形模型和新模型分别对N234炭黑、N330炭黑、N375炭黑和N539炭黑填充胶的热导率进行了理论预测,并与实验结果进行对比,发现:在炭黑体积分数2%～35%内,新模型比球形模型能更好地预测炭黑填充胶的热导率;新模型对四种胶热导率的预测结果,最大偏差不超过9%,平均偏差小于4%。     

过量Zn对β-Zn4Sb3热电性能影响的研究

采用真空熔融缓冷方法制备了单相β-Zn4Sb3以及含有过量Zn的β-Zn4Sb3块体热电材料.在300—700K的温度范围内测试了材料的电导率、Seebeck系数和热导率,研究了β-Zn4Sb3化合物中过量Zn的分布状态及其对材料热电性能的影响规律.结果表明：过量的Zn作为第二相较均匀的分布在β-Zn4Sb3的晶界上,随着Zn含量增加,材料电导率和热导率上升,Seebeck系数下降,Zn第二相的引入能有效提高材料的功率因子,Zn过量2at%的材料在700K时其ZT值达到1.10.     

NH_x(x=1～3)在金属Ir表面吸附与解离的第一性原理研究

采用密度泛函理论,在slab模型下,研究了NH_x(x=1~3)在Ir(100)、Ir(111)和Ir(110)表面上的最稳定吸附位置、几何构型以及逐步脱氢分解过程,计算了相应的吸附能和活化能.计算结果表明,在Ir(100)、Ir(111)面上,NH_3是以C_3轴垂直吸附在顶位,在Ir(110)上,NH_3是以N-Ir键与表面成68.6°吸附在顶位,且吸附能依赖于表面的结构而不同,相比而言,NH_3更容易吸附在开放表面Ir(100)、Ir(110)面上,说明NH_3在这些表面的吸附具有结构敏感性.NH_(x(x=1~3))的分解,在Ir(100),NH_3的吸附与分解存在竞争,在Ir(110)面NH_3最容易分解,在Ir(111)面NH_3是分子性吸附,不能分解.NH_2、NH在三个表面均能够分解,在Ir(110)面活化能均较高.     

~(121)Sb穆斯堡尔同质异能移研究

本文从理论上研究~(121)Sb的穆斯堡尔同质异能移,从能带理论的观点研究固体电子结构,提出压缩原子模型,考虑固体中原子体积的有限性,并在此基础上计算核内电子电荷密度和~(121)Sb的穆斯堡尔定标常数。     

密度泛函理论研究Be_nNa(n=2~14)团簇的结构及其电子性质(英文)

基于密度泛函理论研究了BenNa(n=2~14)团簇的最低能量结构及其电子性质,具体采用的计算方法是B3LYP/6-311G(d).对于每一尺寸的团簇,我们从多个可能构型出发来寻找其最低能量结构.计算结果表明:钠原子易于附着在铍团簇的表面;Be4Na和Be9Na均具有较高的平均结合能及能隙,n=4,9是团簇的幻数;在所有的BenNa(n=2~14)团簇中,钠原子均失去电子;随着团簇尺寸n的增大,团簇内部原子间的相互作用是共价键和金属键共存.     

硼/氮原子共注入金刚石的原子级研究

利用Tersoff势和分子动力学方法研究了室温下500 eV的能量粒子硼(4个)和氮(8个)共注入金刚石晶体中晶体结构的变化特征和缺陷分布特征.结果表明：粒子注入金刚石后产生的空位比间隙原子更靠近晶体的近表层分布；间隙原子主要以四面体间隙(T形)和哑铃状分裂间隙的形式存在于晶体中，T形间隙结构更容易存在，并且大部分间隙原子富集在空位的周围；注入金刚石中的硼原子和氮原子有78%左右处于替代位置,硼、氮原子之间的键长比完整金刚石结构的键长短13%，硼氮原子成键有利于减少金刚石晶格的畸变程度.     

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TiO₂表面稳定性比BaO表面弱,一方面是由于TiO₂表面结构中存在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Ti—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. 关键词： 第一性原理 钛酸钡 电子结构 表面能