Cu掺杂ZnO铁磁性的研究

采用基于密度泛函理论(DFT)和局域密度近似(LDA)的第一性原理分析了Cu掺杂ZnO的磁性质.计算了6个不同几何结构的铁磁(FM)和反铁磁(AFM)耦合自由能,结果表明FM耦合更稳定.FM性质主要来源于Cu 3d与O2p原子之间的杂化.O空位和N杂质对Cu掺杂ZnO铁磁性的研究表明,O空位和N杂质不利于稳定其铁磁性质.通过研究Cu3d能级之间的耦合,阐述了Cu掺杂ZnO铁磁性产生的原因.另外,也分析了晶格轴应变和剪切应变对Cu掺杂ZnOFM耦合影响.     

立方相KNbO3晶体本征空位点缺陷的电子结构研究

利用第一性原理从头计算方法对立方相KNbO3晶体的肖特基缺陷的稳定性、能带结构、电子态密度和磁性性质进行了研究.发现含本征点缺陷的KNbO3体系结构稳定;K,Nb空位诱导KNbO3缺陷晶体产生铁磁性;O空位则无此性质.K空位诱导KNbO3缺陷晶体磁性源于O原子2p轨道退简并;Nb空位诱导KNbO3缺陷晶体磁性源于O-2p电子极化.     

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.     

LaAlO3晶体点缺陷的电子结构和磁性的第一性原理研究

利用密度泛函理论计算了LaAlO3晶体点缺陷的电子结构和磁学性质.结果表明,LaAlO3中La,Al空位缺陷具有铁磁性,O空位缺陷没有磁性.La,Al空位磁性源于体系中所有O原子2p轨道的部分极化.     

N掺杂LaAlO3电子结构的第一性原理研究

采用第一性原理计算N掺杂LaAlO3的稳定性、电子结构和磁学性质.计算结果表明:N掺杂LaAlO3的结构稳定;而且从生成焓数值看,替位掺杂比间隙掺杂结构更稳定.形成能计算结果表明,还原环境比氧化环境更适合N掺杂,并且在还原环境下,NH3作为N源生成替位掺杂的LaAlO3-x Nx的形成能最小,即最容易形成替位掺杂.N替代LaAlO3中的O原子和位于LaAlO3晶胞间隙均产生铁磁性,其磁性均源于掺杂N-2p电子与体系价带顶O-2p电子间的p-p耦合作用.     

B掺杂BaTiO3的电子结构和磁性的第一性原理研究

利用基于第一性原理的自旋极化密度泛函理论计算了B掺杂BaTiO3的稳定性、电子结构和磁学性质.结果表明B掺杂BaTiO3体系稳定,并表现为铁磁性.B替位掺杂BaTiO3体系的磁性机制可归结为部分B2p电子的自旋极化和B2p/O2p与Ti3d电子的p-d耦合作用,B间隙掺杂BaTiO3体系中磁性源于未配对Ti3d电子的自旋极化.     

稀土金属Y掺杂锐钛矿TiO2(101)表面的改性

为了掌握Y原子掺杂在锐钛矿TiO₂(101)表面的稳定吸附位置和电子结构变化,提高其表面光催化活性,本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了Y原子掺杂在完美的、带有亚表层氧空位和带有表层氧空位的锐钛矿TiO₂(101)表面的结构稳定性和电子性能。结构优化和电荷密度结果表明,Y原子可以稳定吸附在三种不同的表面上。在完美表面吸附时,Y原子最稳定的吸附位置是两个三配位O原子之间的空位;与完美表面类似,在带有亚表层氧空位表面吸附时,Y原子最稳定吸附位置是与氧空位邻近的两个三配位O原子之间的空位;而在带有表层氧空位表面吸附时,Y原子则停留于氧空位邻近的四配位Ti原子位置上最稳定。电荷密度计算结果也表明Y原子与这三种表面结合非常稳固。电子态密度计算结果表明,在带有表层氧空位的锐钛矿TiO₂(101)表面引入Y原子会在费米面附近的带隙中引入缺陷态,带隙从1.67 eV降至1.44 eV,这有可能引起电子的分级跃迁,提高表面光催化能力。本文的研究为利用单原子Y掺杂提高TiO₂(101)表面光催化能力提供了理论...     

Fe,Mn共掺SnO2超晶格电子结构和光学性质研究

基于密度泛函理论的第一性原理,采用了广义梯度近似(GGA)处理交换相关势,用Wien2k软件计算了SnO2超晶格掺杂单层Mn、双层Mn及Fe、Mn共掺情况下的态密度、能带结构、光学性质.结果表明SnO2超晶格单掺Mn时,材料表现为半金属性,这是由于Mn-3d与O-2p的耦合作用,而双层Mn掺杂时仅有O-2p提供.随Mn掺杂层数的增加,其光学性质在低能级处的峰值增大,光学吸收边发生红移,材料透光性能增强.当Fe、Mn共掺时,态密度向低能方向移动,能带结构在Fermi能级附近出现自旋极化,材料表现为半金属性,这是由于Fe与Mn强烈耦合所致.材料的吸收谱、反射谱、能量损失图谱变化趋势一致,但共掺杂比单掺时各谱更向低能方向移动.     

Cu掺杂硅量子点的电子结构和光学性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理的方法,对Cu掺杂H钝化硅量子点的形成能、态密度、磁性和光学性质进行了计算,考虑了Cu占据硅量子点替代和间隙的不同位置.结果表明:Cu趋向占据硅量子点表面的六角形间隙位置.Cu掺杂硅量子点引入了杂质能级,带隙变窄.由于Cu的d态p态和Si的p态耦合,导致Cu替代掺杂硅量子点具有铁磁性,且在低能区出现了一个较强的吸收峰.     

Cu/Ag单掺及Cu-Ag共掺对ZnO光催化性能影响的第一性原理研究

运用第一性原理方法研究了Cu/Ag单掺及Cu-Ag共掺对ZnO稳定性、电子结构和光学性质的影响.CuZn2和CuZn1-CuZn3的形成能接近0.0 eV,CuZn1-CuZn2的形成能为负值,表明Cu较易掺杂且掺杂时有聚集的趋势.AgZn2的形成能为2.5 eV,AgZn1-AgZn2和AgZn1-AgZn3的形成能高于4.5 eV,说明高浓度的Ag掺杂在实际合成中不易出现.CuZn1-AgZn2和CuZn1-AgZn3的形成能与AgZn2的相近.CuZn2、CuZn1-CuZn2和CuZn1-CuZn3模型的Cu3d与O2p轨道有较大程度的杂化,价带顶端主要由Cu3d轨道占据.AgZn2、AgZn1-AgZn2和AgZn1-AgZn3模型的Ag4d与O2p轨道杂化较弱,价带顶端主要由O2p轨道占据.CuZn1-AgZn2和CuZn1-AgZn3模型的Cu3d与O2p轨道虽有杂化,但价带顶端主要由O2p轨道占据.Cu或Ag原子掺杂使Zn4s轨道在导带区显著向下移动,降低了模型的带隙宽度,它们对ZnO电子结构的影响主要集中在带隙附近.Cu-Ag共掺修饰ZnO电子结构的能力介于Cu和Ag单掺之间.上述掺杂模型吸收边都发生了红移,实现了ZnO对可见光的吸收,同时对3.10～3.90 eV范围内紫外光的吸收均高于纯ZnO,有效提高了ZnO的光催化效率.结合形成能分析可知,在不同类型掺杂下最有利的光催化模型分别为CuZn1-CuZn2、AgZn2和CuZn1-AgZn2.     

Mg-N阴阳离子共掺杂SnO2的第一性原理研究

基于密度泛函理论,利用第一性原理计算Mg-N阴阳离子双受主共掺杂SnO₂的电子结构、电荷密度分布和缺陷形成能.Mg、N分别取代SnO₂晶体中的Sn和O,掺杂浓度分别为4.17at;、2.08at;,Mg-N键之间的共价性明显高于Sn-O键,富氧条件下,Mg-N共掺杂的缺陷形成能为2.67 eV,有利于进行有效的受主替代掺杂.Mg单受主掺杂SnO₂时,增加了带隙宽度,费米能级进入价带,Mg-N共掺杂SnO₂时,带隙窄化,表现出明显的p型导电类型.     

La2O3掺杂对SnO2基陶瓷显微结构与电阻率的影响

以La2O3作掺杂剂,制备了La2O3掺杂的SnO2陶瓷.采用XRD、SEM以及其它测试手段对该陶瓷进行测试.结果表明:掺入适量的La2O3能够降低SnO2基陶瓷电阻率,促进SnO2晶相的形成和生长,对SnO2基陶瓷的致密化起到良好的作用.     

Mg掺杂对CaMnO3基热电氧化物电子结构及电性能的影响研究

采用超软赝势密度泛函理论计算的方法研究了Mg掺杂Ca位CaMnO3基复合氧化物的能带结构、电子态密度和电荷分布状况,在此基础上分析了Mg掺杂氧化物的电性能.结果表明,Mg掺杂CaMnO3氧化物仍然呈间接带隙型能带结构,带隙宽度由0.756eV减小到0.734eV.CaMnO3氧化物和Mg掺杂CaMnO3氧化物的自旋态密度曲线极值点均位于为-0.8eV附近.Mg掺杂CaMnO3氧化物中Mn原子对体系费米面态密度的贡献有所减小,O原子和Ca原子对体系费米面态密度的贡献有所增大.Mg原子比Ca原子具有更强的释放电子的能力,Mg掺杂对于CaMnO3氧化物属于电子型掺杂.Mg掺杂CaMnO3氧化物导电性能增强,电性能提高.     

稀土元素Sm与C共掺SnO2的电子结构和光学性质的第一性原理研究

利用第一性原理密度泛函理论,计算了Sm-C共掺SnO2体系的能带结构、能态密度、光学性质.计算结果表明:Sm-C近邻共掺体系的晶胞的结构比较稳定.在电子结构方面,共掺体系的禁带宽度值最小,表明电子从价带激发到导带所需的能量最小.在光学性质方面,掺杂体系都发生了红移,其中Sm-C共掺体系的红移程度最大,增强了对可见光的响应范围;在可见光区,掺杂体系的反射系数、静态介电常数、静态折射率的值都大于纯SnO2,且Sm-C共掺杂体系的值最大.     

SnO2/氮掺杂石墨烯纳米复合材料的制备及其电化学性能研究

采用温和的水热法在氧化石墨烯(GO)片层上原位生长纳米SnO2颗粒, 通过氨水调节体系pH值并对石墨烯进行掺氮,成功制备出了SnO2/氮掺杂石墨烯(N-rGO)和SnO2/石墨烯(rGO)纳米复合材料,并对它的电池和电催化性能进行研究.XRD和SEM等分析结果表明,SnO2颗粒均匀地分布在N-rGO和rGO表面,粒径分别为50 nm和100 nm左右.进一步的TEM结果表明,SnO2颗粒是由更细小的粒径为5~7 nm SnO2颗粒所组成的二次团聚体.半电池性能测试结果表明:在100 mA/g电流密度下,SnO2/N-rGO和SnO2/rGO的可逆容量分别为901 mAh/g、756 mAh/g,比同等条件下纯的纳米SnO2高6.0和4.9倍;在2 A/g的高电流密度放电情况下, SnO2/N-rGO和SnO2/rGO的放电比容量分别可以达到619 mAh/g和511 mAh/g,表现出优异的倍率性能.电催化性能测试表明:SnO2/N-rGO的催化活性要高于SnO2/rGO,催化氧还原反应(ORR)主要按照四电子转移过程进行,为非铂催化剂的研究提供了一个新的思路.     

C、N、F掺杂对VO2电子结构影响的研究

二氧化钒(VO₂)是一种热至变色材料,在临界温度340 K有金属-半导体相变.第一性原理计算结果发现:C、N、F元素以1.56;、3.13;、4.69;的原子浓度掺杂M1相VO₂的带隙Eg1降低到0.349～0.612 eV,其中氮元素以4.69;的浓度掺杂VO₂的带隙Eg1最小(0.349 eV).在C、N、F掺杂M1相VO₂体系中,3.13;的N掺杂可以有效降低相变温度,并且对可见光透过率影响不大,所以3.13;的N原子掺杂VO₂可以在实际中应用.     

Cu-N共掺杂ZnO体系的稳定性,电子结构和磁性的第一性原理研究

采用第一性原理框架下的全势缀加平面波方法研究了Cu-N共掺杂的ZnO体系的电子结构和磁学性能.基于总能的计算表明,Cu-N共掺杂体系在基态下具有稳定的铁磁性,这个铁磁性的起源可以利用双交换理论进行解释.同时,电子结构的计算表明,掺杂体系在基态下呈现的是半金属特性.在Zn1-xCuxO1-yNy (x=0.0625, y=0.0625)中体系的总的磁矩为2 μB.这些磁矩主要来源于Cu-3d电子和O-2p电子以及N-2p电子的相互作用.     

稀土元素与In共掺对SnO2导电性能影响的第一性原理研究

AgSnO2触头材料中的SnO2近乎绝缘,为了提高触头材料的电性能提出了稀土材料La、Ce、Y和In共掺杂的方法.采用基于密度泛函的第一性原理对SnO2以及单掺杂稀土元素的SnO2和共掺稀土元素和In的SnO2晶胞进行能带和态密度的计算.结果表明:掺杂后的材料仍旧是直接带隙半导体材料,都具有热稳定性,共掺杂可以进一步使得导带底、价带顶向费米能级附近移动,进而窄化带隙;共掺杂比单掺的电子有效质量小,电导率大,其中Y和In共掺杂的导电性最好.共掺杂比单掺稀土元素更能提高AgSnO2触头材料的导电性,为触头材料的发展提供了理论依据.     

4d过渡金属掺杂石墨烯体系对NO2分子的吸附

基于第一性原理的密度泛函理论对NO2分子吸附在4d过渡金属掺杂的石墨烯体系进行了研究.发现Cd原子价电子构型为4d105s2,形成饱和结构,不容易掺入石墨烯体系.调查了三种NO2分子的吸附情况,分别是N原子、一个O原子、两个O原子靠近石墨烯体系吸附点.通过能量优化获得最稳定的吸附构型.通过吸附能、电荷转移等数据研究了各吸附构型对NO2的吸附情况.纯的石墨烯体系对NO2分子的吸附较弱,吸附能小于0.2 eV,而4d掺杂可以明显提高吸附体系的吸附性能,多数吸附能超过了2 eV.其中掺Nb原子对NO2吸附效果最好,且吸附构型较稳定,吸附能为3.686 eV.此外,通过比较吸附前后带隙的变化,可发现掺Zr原子,石墨烯体系由半导体转变为金属,而掺Nb原子,石墨烯体系由金属转变为半导体.     

O、Se和Te掺杂对单层MoS2电子能带结构和光学性质的影响

利用密度泛函理论第一性原理,计算了本征单层MoS2以及O、Se和Te掺杂单层MoS2的结构参数、能带结构、氧化还原电势、态密度、光吸收特性和光催化潜力.结果表明,本征和掺杂单层MoS2的晶胞参数、键长随原子半径的增大而增大,键角随原子半径的增大而减小.掺杂后禁带宽度变小,导电性增强.本征和掺杂的单层MoS2的导带底电位负于水解制氢反应的还原势,其价带顶电位正于水解制氢反应的氧化势,均具有光催化水解制氢的潜力.但是,本征和O掺杂,由于价带顶与导带底电位相应于水的氧化还原势和电子空穴需求量均存在不平衡,使其光解水性能不理想.然而,Se和Te掺杂可以平衡其还原与氧化能力,改善单层MoS2的光催化的性能,其中Se掺杂改善效果最为明显.同时,掺杂后的单层MoS2对可见光吸收效率增强.此研究有助于筛选合适的单层MoS2掺杂元素,提高单层MoS2材料的光催化水解制氢性能.