部分非金属元素掺杂二维CdS的电子结构与磁性的第一性原理研究

基于自旋极化密度泛函理论(DFT)的第一性原理研究方法,研究了部分非金属元素(B-F、P、Cl、Br、Si和As)替位掺杂单层CdS的电子结构及磁性。研究结果表明,C、N、P和As元素掺杂单层CdS可诱导磁性,其余元素掺杂体系则不显示磁性。进一步研究了非金属双原子掺杂二维CdS的磁耦合作用,结果表明,As掺杂单层CdS体系呈现出铁磁态,而C、N和P掺杂的单层CdS体系则表现为反铁磁态。形成能计算表明,富S的条件下要比富Cd的条件非金属掺杂原子更易于占据S原子的位置。     

N掺杂金红石TiO_2光学性质的第一性原理研究

运用第一性原理的LDA+U(U_(Ti-3d)=7eV,U_(O-2p)=4eV)方法研究了N掺杂金红石TiO_2的电子结构和光学吸收性质。研究表明N元素的掺杂可以降低TiO_2的禁带宽度并在带隙中引入杂质能级。杂质能级主要由O-2p轨道和N-2p轨道之间的耦合形成。杂质能级的引入以及带隙宽度的降低可以增加TiO_2对可见光的响应,并提高Ti O2的光催化活性。费米能级附近的态密度由O-2p轨道和N-2p轨道之间的耦合形成π键构成,电子占据π键态和空的σ键态能级差大约为0.4 eV,可使N掺杂Ti O2的光学吸收边落在在红外区域,即发生了所谓的光学吸收边的红移现象。     

过渡金属掺杂的I-III-VI_2黄铜矿电磁性质的第一性原理研究

应用自旋极化的第一性原理对过渡金属(TM=V、Cr、Mn、Fe、Co和N i)掺杂的CuGaSe2和CuGaS2进行研究.计算结果表明:Cr和Mn掺杂的I-III-VI2稀磁半导体(DMS)表现为铁磁性质,而V、Fe、Co和Ni掺杂时表现为反铁磁性质.对稀磁半导体的磁矩研究,其结果符合一条简单的规律:当磁性离子3d的t2g轨道完全被占据时,磁性离子的磁矩比理论的期望值小;当磁性离子3d的t2g轨道处于全空时,磁性离子的磁矩比理论的期望值大;而当磁性离子3d的t2g轨道处于部分被占据时,磁性离子的磁矩与理论值的差距主要取决于晶体的对称性和磁性离子的状态.     

过渡金属掺杂的Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2黄铜矿电磁性质的第一性原理研究

应用自旋极化的第一性原理对过渡金属(TM=V、Cr、Mn、Fe、Co和N i)掺杂的CuGaSe2和CuGaS2进行研究.计算结果表明:Cr和Mn掺杂的I-III-VI2稀磁半导体(DMS)表现为铁磁性质,而V、Fe、Co和Ni掺杂时表现为反铁磁性质.对稀磁半导体的磁矩研究,其结果符合一条简单的规律:当磁性离子3d的t2g轨道完全被占据时,磁性离子的磁矩比理论的期望值小;当磁性离子3d的t2g轨道处于全空时,磁性离子的磁矩比理论的期望值大;而当磁性离子3d的t2g轨道处于部分被占据时,磁性离子的磁矩与理论值的差距主要取决于晶体的对称性和磁性离子的状态.     

GaN纳米线缺陷形成和磁性研究

利用第一性原理研究了Co掺杂Ga N纳米线缺陷形成能和磁性质.一方面分析了Co杂质取代Ga和N的形成能,计算表明Co优先取代Ga N纳米线表面的Ga原子.另一方面通过计算8个不同几何结构在铁磁和反铁磁态下的自由能,分析了Co掺杂Ga N纳米线的磁性质,结果表明在基态下纳米线具有铁磁稳定性.     

宽带隙半导体SiC非磁性掺杂研究取得进展

长期以来,过渡元素（Fe,Mn,Co等）掺杂稀磁宽带隙半导体的磁性来源问题一直存在着很大争议．主流观点认为,由于样品制备条件的差异,大多数过渡元素掺杂宽带隙半导体的磁性来源于磁性杂质的干扰或磁性原子在基体形成团簇所致,而不是掺杂材料的本征特性．因此,通过掺杂非磁性元素可以有效地避免磁性杂质的引入,排除磁性杂质的干扰,可以为探讨稀磁半导体的磁性来源提供理想的实验体系．这对深入认识宽带隙半导体中自旋长程有序的机制有着重要学术意义．     

磁控溅射法制备的不同浓度Cr掺杂ZnO薄膜磁性研究

采用磁控溅射法在硅片上制备Cr掺杂ZnO薄膜材料,通过控制共溅时间来控制掺杂浓度.晶体结构分析表明所有样品均为ZnO纤锌矿结构,没有观测到其他杂相峰.Cr掺杂ZnO薄膜具有c轴择优取向.磁性测试结果表明,不同浓度Cr掺杂ZnO薄膜具有室温铁磁性.掺杂浓度1%薄膜磁性最强,室温饱和磁化强度为0.53μB/Cr.随着掺杂浓度增大,样品磁性减弱,主要是由于掺杂浓度增大反铁磁交换作用增强.     

Si掺杂过渡元素Sc、Ti、V、Cr电子结构研究

文章采用第一性原理的平面波赝势方法,对单晶Si掺杂4种过渡元素的体系从晶格参数、电子结构以及光学性质等方面进行了理论计算与研究。计算结果表明,在4种掺杂元素中,掺杂Cr元素的晶格参数、晶胞体积反而变小,晶胞能最低,体系也最稳定。从体系的电子结构分析发现,在单晶Si中掺杂这4种过渡元素时,掺杂Cr元素的体系杂化最为剧烈,吸收峰位于费米面以上的2.42～2.80eV区域,是由Si的2p电子与Cr的3d轨道作用所致,在该区域的波长为443～513nm,位于可见光区,同时掺杂Cr的体系最稳定。     

共掺杂TiO_2-B作为可充电锂离子电池负极材料的DFT+U分析

采用多元胞组合法构建出钝化共掺杂TiO_2-B模型,并引入共掺杂原子N+V和C+Cr,对其进行第一性原理的密度泛函理论(density functional theory,DFT)分析。通过对Li~+嵌入位点和迁移活化能的计算,确定了Li~+低浓度下共掺杂模型中最稳定的嵌入位点,得出N+V和C+Cr共掺杂体系的迁移活化能分别为0.47,0.42eV;对Li~+高浓度下嵌入电压进行计算,得出N+V共掺杂嵌入电压为0.83~0.97V,比C+Cr共掺杂的对应值1.05~1.27V小,因此N+V共掺杂模型更适合用作锂离子电池的负极材料;对两种共掺杂的态密度进行计算,得出N+V和C+Cr共掺杂体系的带隙宽度分别为1.7,1.4eV,说明N和C主要修饰价带结构,V和Cr主要修饰导带结构。     

非磁性/磁性掺杂剂对SnO2体系的性能调控

本文通过第一性原理计算在GGA + U 框架下系统地研究了非磁性掺杂剂(Li)和磁性掺杂剂(V)以及相应的点缺陷(VO/VSn)掺杂SnO2基稀磁半导体(DMS)的稳定性、电子结构、键合性质、磁性以及光学性质. 计算得到的形成能结果表明, V元素单掺杂体系比Li元素单掺杂体系更稳定. 其中, VO存在的掺杂体系稳定性更高, 而VSn对掺杂体系的稳定性不利. 磁性分析表明, Li掺杂体系的磁矩大于V掺杂体系的磁矩. 当有点缺陷存在时, VSn的加入显著提高了掺杂体系的磁性, 而VO对非磁性金属元素/磁性金属元素掺杂体系的磁性影响不同：当VO存在于Li掺杂体系时, Li原子周围的O原子自旋极化减少, 因此导致磁矩降低;当V掺杂体系中有VO存在, 磁性不仅来源于V原子的自旋极化, 同时来源于VO周围的O原子的自旋极化,因此磁矩增大. 结合电子结构分析可知, Li掺杂体系的磁性是由O-p和Li-p轨道之间的双交换作用产生的, V掺杂体系的磁性是由O-p和V-d轨道之间的双交换作用产生的. 键合分析发现VO的存在可以提高两种金属掺杂体系键(Li-O和V-O)的共价性. 在可见光区域内, Sn15LiO32和Sn15VO32具有较高的光学透明度. 以上这些结果为非磁性金属元素(Li)和磁性金属元素(V)及相应的点缺陷(VO/VSn)掺杂SnO2在自旋电子器件中的应用提供了新的思路.     

C/N自掺杂提高g-C3N4光响应的理论研究

依托半导体的光催化性能对环境中的污染物进行降解是解决环境污染的一种有效途径.类石墨烯相C_3N_4(g-C_3N_4)具有稳定的化学性能和独特的电子结构,在光催化领域展现出巨大的应用潜力.采用第一性原理,本文对不同比例的C/N自掺杂g-C_3N_4的晶体结构和电子结构进行了探究.通过不同掺杂位形成能的比较,探究了单原子替位掺杂和多原子表面转移掺杂的最优化结构.通过电子结构的比较发现:C原子自掺杂较N原子自掺杂形成能更低,易于在实验中实现;随N掺杂比例的增加, g-C_3N_4的吸收光谱向红外移动; C掺杂比例为1/12时对可见光的响应最强.该理论结果除获得掺杂的微观机理解释,亦利于对后续实验的合成提供理论依据和指导.     

过渡金属掺杂CuGaS2的磁学性质

应用基于自旋极化的第一性原理系统地对3d过渡金属(TM=V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni)掺杂CuGaS2的磁学性质进行理论计算.通过对过渡金属对CuGaS2掺杂,在铁磁状态下取代不同离子(Cu和Ga)结合能的比较,我们发现:过渡金属在CuGaS2中比较容易占据Ga的位置.通过对稀磁半导体(DMS)磁性稳定性的研究,可以发现到:在Cr、Mn掺杂的CuGaS2中,DMS表现为铁磁状态,其居里温度将可能高于(Ga,Mn)As,其他过渡金属掺杂时,DMS则表现为反铁磁状态.并验算了一条判断DMS磁性状态的简单规律.     

半金属元素掺杂TiN的第一性原理研究

基于密度泛函数理论，采用广义梯度近似方法，对半金属元素原子X（X=B、Si、Ge、As、Sb和Te）掺杂TiN体系的平衡晶格常数和电子结构等进行第一性原理计算，并对掺杂前后的电子态分布变化和形成能进行分析计算．结果表明：掺杂体系中主要的电子贡献仍是N2p态和Ti3d态，随着半金属元素B、Si、Ge、As、Sb和Te的掺入，TiN掺杂体系的导电性能有所提高，但并未超过纯净TiN体系；同时由形成能的计算证明Si掺杂体系最容易达到稳定结构，而Te掺杂是最不稳定的体系．     

高压下3C SiC的电子结构、弹性与热力学性质

运用密度泛函理论的超软赝势平面波方法对3C SiC晶体结构进行了几何优化,得到与实验值相符的晶格参数,在压强为0～100GPa范围内对3C SiC的电子结构与弹性进行了计算,结果表明晶体结构是稳定的,且带隙随着压强的增大而减小。然后利用准谐德拜模型研究了3C SiC在温度为0～2100K、压强为0～100GPa范围内的热力学性质,结果表明其等容热容、热膨胀系数及熵函数都随温度的升高而增大,随压强的增大而减小,而德拜温度随温度的升高而减小,随压强的增大而增大。     

Evaluation of charge storage ability of chrome doped Mn2O3 nanostructures derived by cathodic electrodeposition

A facile synthetic route has been proposed to prepare cauliflower-like nanostructures of Cr doped Mn2O3. The synthesis was carried out by constant current cathodic electrodeposition from Mn2+ nitrate solutions containing minor amounts of dichromate. It was found that the presence of Cr mediates the formation of cathodic MnO2 which then reacts with the excess Mn2+ species to form Mn2O3 nanostructures. X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM) and Differential Thermal Analysis (DTA) were used to characterize the nanostructures. The storage ability of the obtained nanostructures was investigated by cyclic voltammetry (CV) in 0.5 M Na2SO4 solution. The results indicated that the Cr doped manganese oxide material shows better performance than the non-doped one, and the charge capacity (SC) of doped manganese oxide (218 F/g) was higher than pure manganese oxide (208 F/g).     

过渡金属M(V,Cr,Mn)掺杂ZnS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赝势平面波方法,对ZnS和掺杂过渡金属V,Cr,Mn的ZnS超晶胞结构进行结构优化,计算了掺杂前后的电子结构和光学性质,对结果进行了比较分析.结果表明:掺杂系统在费米能级附近出现了不对称的现象,这部分的态密度主要由过渡金属的3d态贡献;ZnS和掺杂过渡金属V,Cr,Mn的ZnS系统的光学性质在低能区域有较大的差异,与ZnS相比,掺杂系统的吸收边发生红移.     

Microstructure and mechanical properties of Cr doped WCoB based cermets by spark plasma sintering and first principle calculation

WCoB based cermet is a potential hard alloy to replace WC-Co cermets with high hardness and corrosion resistance. WCoB based cermets with different Cr doping contents were fabricated by spark plasma sintering in liquid phase sintering stage. The densification behavior, phase composition, microstructure and mechanical properties of Cr doped WCoB cermets were investigated by XRD, EDS and SEM. Due to the lower density of Cr,the density of WCoB cermets decreased with the increasing of Cr doping content. The phase composition consisted of Cr doped WCoB, unreacted W, Co–Cr binary binder phase. When the doping content exceeded11.736 wt%, the Cr enrichment zones appeared, which was harmful to the TRS. The increasing of Cr doping content contributed to the increase of unreacted W phases content and the formation of pores. The maximum value of Vickers hardness was 1751 Hv0.5 at 9.356 wt% Cr doping content. The variation trend was explained by first principle calculation, which is consistent with Hv-Zhou hardness model.     

Preparation and properties of C/C-SiC brake composites fabricated by warm compacted-<Emphasis Type="Italic">in situ</Emphasis> reaction

Carbon fibre reinforced carbon and silicon carbide dual matrix composites (C/C-SiC) were fabricated by the warm compacted-in situ reaction. The microstructure, mechanical properties, tribological properties, and wear mechanism of C/C-SiC composites at different brake speeds were investigated. The results indicate that the composites are composed of 58wt% C, 37wt% SiC, and 5wt% Si. The density and open porosity are 2.0 g·cm⁻³ and 10%, respectively. The C/C-SiC brake composites exhibit good mechanical properties. The flexural strength can reach up to 160 MPa, and the impact strength can reach 2.5 kJ·m⁻². The C/C-SiC brake composites show excellent tribological performances. The friction coefficient is between 0.57 and 0.67 at the brake speeds from 8 to 24 m·s⁻¹. The brake is stable, and the wear rate is less than 2.02×10⁻⁶ cm³·J⁻¹. These results show that the C/C-SiC brake composites are the promising candidates for advanced brake and clutch systems.     

黄铜矿半导体DMS的第一原理计算

为了寻找新的高Tc的稀磁半导体(DMS)，利用自旋局域密度泛函的第一性原理对3d过渡金属(TM=Ⅴ、Cr、Mn、Fe、Co或Ni)掺杂的Ⅱ-Ⅳ-Ⅴ2(CdGeP2和ZnGeP2)以及Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2(CuGaS2和CuGaSe2)黄铜矿半导体的电磁性质进行系统计算．结果发现：Ⅴ或Cr掺杂的Ⅱ-Ⅳ-V2将出现铁磁(FM)状态，而Mn、Fe或Co掺杂的Ⅱ-Ⅳ-Ⅴ2将出现反铁磁(AFM)状态，Ni掺杂时，DMS的磁性非常不稳定；在TM掺杂的Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2的DMS中，Cr、Mn掺杂的CuGaS2和CuGaSe3将表现为FM状态，而当V、Fe、Co或Ni掺杂时，Cu(Ga，TM)S2和Cu(Ga，TM)Se2则表现了AFM性质．Cr掺杂的Ⅰ-Ⅳ-Ⅴ2以及Ⅰ-Ⅳ-Ⅵ3黄铜矿半导体将可能出现较高的居里温度(Tc)。     

长余辉发光材料Zn_2SiO_4:Dy~(3+)的制备及发光性能

以Zn2SiO4为基质，用高温固相法（ss），sol-gel法（sg）制备得到Zn2SiO4：Dy^3＋长余辉发光材料，该发光材料的制备及长余辉发光性能至今尚未见到文献报道．由该发光材料的激发谱发现，其在紫外的235-350nm范围有吸收，其发射光谱表明，在紫光（378nm，393nm）、橙光（595nm）、红光（691nm）部位有发射峰．通过对比掺杂与未掺杂样品发射光谱，说明样品发光是由基质Zn2SiO4产生的，Dy^3＋的掺杂只是使材料形成了陷阱能级进而发出长余辉，还阐述了Zn2SiO4：Dy^3＋的可能发光机理．