锂电池正极材料Li(Co,Ni)O2化合物的第一性原理研究

锂离子电池以其高能量存储密度和优良的循环性能而受到广泛关注, 尤其是其正极材料成为储能材料领域的研究热点.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对LiCoO2,LiNiO2和Li(Co0.5Ni0.5)O2化合物的晶体结构、电子结构、化学键合特性进行了研究. 结果表明：Li(Co0.5Ni0.5)O2化合物中主要是氧和过渡金属之间成键, 锂原子对晶体总态密度贡献很少. Ni/Co混合后将导致Li(Co0.5Ni0.5)O2中Co的3d轨道和O的2p轨道之间成键得以加强.     

氢、氮、铍、锂原子在缺陷富勒烯C_x(X=58～62)中的吸附与渗透

碳富勒烯包合物由于潜在的应用前景受到广泛关注.我们采用第一性原理方法计算了氢、氮、锂、铍原子在不同碳富勒烯中的吸附和穿越.根据原子在不同碳富勒烯笼中的势能曲线,我们给出了原子穿越碳富勒烯笼的势垒和势阱,归纳出原子穿越碳笼机理分为插入机理、渗透机理以及插入机理和渗透机理的混合机理.     

MgSiO_3钙钛矿高温高压特性的第一性原理研究

本文采用第一性原理方法,计算了MgSiO_3钙钛矿在零温和0～150 GPa静水压范围内的晶体结构和弹性模量,并利用准简谐近似Debye模型,拟合三阶Birch-Murnaghan物态方程得到了其高温高压下的热力学性质.通过与现有的理论和实验的结果数据比较,确认在0～2000 K的温度区间内,第一性原理计算结合Debye模型能够较可靠地模拟在下地幔压力范围内MgSiO_3钙钛矿的热力学性质.     

超高压下碳结构的第一性原理研究

采用第一性原理密度泛函理论,结合平面波赝势和广义梯度近似(GGA)方法计算了多种碳结构在超高压条件下的热力学稳定性及晶体结构性质.计算结果表明,碳结构的质量密度和基态能量与其对称性高低没有很强的依赖关系;在超高压条件下,随着压强的增加,热力学相对稳定的碳结构依次是石墨、金刚石、BC-8和SC碳结构,Clark等人所提出的R8结构并不是一种真正的高压稳定碳结构.     

MgO高温高压特性及相变的第一性原理研究

应用第一性原理密度泛函理论计算了MgO在零温(0K)下和0~200GPa静水压范围内的晶体结构和弹性模量,以及B1、B4和B8相结构的MgO的声速随压力的变化。利用准简谐近似下的Debye模型,通过拟合三阶Birch-Murnaghan物态方程模拟了高温效应并对三个相在高温高压下的相稳定性做了研究。本工作的计算结果与前人的理论和实验结果符合较好,说明第一性原理结合准简谐Debye模型能够比较准确的模拟矿物如MgO在高温高压下的热力学性质。     

高压下液态硝基甲烷的分子动力学模拟

 对高压下液态硝基甲烷的性质进行经典和基于第一性原理计算的Car-Parrinello分子动力学（CPMD）模拟。利用经典势的分子动力学（MD）模拟研究了高压压缩状态下液态硝基甲烷的结构和热力学性质,得到了高达14.2 GPa压力下的理论Hugoniot数据。对于一些热力学函数,如总能和粒子速度,经典势模拟给出了很好的总趋势,基本特征和实验观测一致。但是在给定的密度下,经典模拟预言的Hugoniot压力偏高。在几个选定的密度下,进行了CPMD模拟,得到了二体相关函数、速度自相关函数、振动光谱和其它的热力学性质,并与经典模拟结果进行了比较。对二体相关函数的分析表明经典势的短程部分的刚性可能太强,从而导致了比实验值高的理论压力值。对于某些二体相关函数,CPMD模拟和经典模拟结果差别很大,可以归结为量子效应。当压力增高时,量子模拟得到的振动光谱向高频部分移动的现象与实验观测相符合。     

基于机器学习构建的环三亚甲基三硝胺晶体势

环三亚甲基三硝胺(RDX)是一种高能低感度炸药,对其能量和性质的准确计算对于开展该炸药的分子模拟至关重要.本文基于机器学习算法,采用高维神经网络模型,对RDX分子晶体结构数据集进行势函数训练.分别采用9种不同的网络结构进行测试训练,并选取其中学习效果最好的势函数对RDX分子晶体结合能和晶格中原子受力进行计算,均能很好地重复出第一性原理的计算结果,其测试集结合能的均方根误差为59.2 meV/atom.作为机器学习势函数的应用,进一步使用该势函数对a相RDX晶体进行分子动力学模拟,以验证其适用性.     

烷烃客体分子(CnHm, n≤6, m≤14)在51262和51264水笼中的稳定性与拉曼光谱的密度泛函理论计算

可燃冰矿藏中气体成分非常复杂,通过谱学分析对水合物样品成分进行指认具有重要意义.基于B97-D/6-311++G（2d,2p）的密度泛函理论（DFT）计算,我们系统地探索了构成水合物的两种标准水笼（5¹²6²和5¹²6⁴）包络十八种不同烷烃客体分子的稳定性. 从计算结果可以看出,除了3-甲基戊烷和2,3-二甲基丁烷两个烷烃客体分子,其它16个烷烃客体分子都可以被容纳在5¹²6²笼中;但是与5¹²6²笼不同,十八种烷烃客体分子都可以被容纳在尺寸较大的5¹²6⁴笼中. 同时,我们也模拟了五种直链烷烃和四种环状烷烃在5¹²6²和5¹²6⁴笼中相应的谱学特征,从拉曼谱图上可以看出,随着碳原子数量的增多,直链烷烃客体分子C―H键伸缩振动区的多数拉曼谱带向高波数移动,而环状烷烃客体分子C―H键伸缩振动区的拉曼谱带则向低波数移动. 这些结果为实验上通过拉曼谱测量指认水合物矿藏的成分提供理论参考.     

Mechanical properties of bcc Fe-Cr alloys by first-principles simulations

The effect of chromium content on the fundamental mechanical properties of Fe-Cr alloys has been studied by first-principles calculations. Within a random solid solution model, the lattice constants and the elastic constants of ferromagnetic bcc Fe_1?x Cr _x (0? · ?0.156) alloys were calculated for different compositions. With addition of Cr content, the lattice parameters of Fe-Cr alloys are larger than that of pure Fe solid, and the corresponding Young??s modulus and shear modulus rise nonmonotonically with the increasing Cr content. All alloys (except 9.4 at% Cr) exhibit less ductile behavior compared with pure bcc Fe. For the Fe_1?x Cr _x (0? · ?0.156) alloys, the average magnetic moment per atom decreases linearly with the increasing Cr concentration.     

锂电池正极材料Li(Co,Ni)O2化合物的第一性原理研究

锂离子电池以其高能量存储密度和优良的循环性能而受到广泛关注, 尤其是其正极材料成为储能材料领域的研究热点.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对LiCoO2,LiNiO2和Li(Co0.5Ni0.5)O2化合物的晶体结构、电子结构、化学键合特性进行了研究. 结果表明：Li(Co0.5Ni0.5)O2化合物中主要是氧和过渡金属之间成键, 锂原子对晶体总态密度贡献很少. Ni/Co混合后将导致Li(Co0.5Ni0.5)O2中Co的3d轨道和O的2p轨道之间成键得以加强.