电场作用下扶手椅型石墨烯纳米带的第一原理计算

本文采用密度泛函理论,研究了边缘氧化扶手椅型石墨烯纳米带(AGNRs)的电子结构和相对稳定性.结果表明,边缘氧化的AGNRs要比边缘氢化的纳米带稳定.由于氧原子比碳原子具有较大的电负性,边缘氧化AG-NRs表现出金属性能带结构.此外,氧饱和AGNRs比氢饱和AGNRs对电场作用更为敏感,这将有助于在带隙工程中实现其电子结构剪裁.     

Mg掺杂锐钛矿相TiO_2的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理对不同浓度Mg掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构和光学特性进行理论计算。结果表明,随着Mg掺杂浓度的增大,锐钛矿相TiO2的晶格膨胀程度越大,带隙宽度增大并且吸收边蓝移;不同掺杂浓度下Mg的3s和2p轨道对锐钛矿相TiO2的价带和导带组成贡献较小;在波长约为200⁵95、595595、595⁸00 nm的光区内,Mg掺杂锐钛矿相TiO2的光吸收能力分别减弱和增强。     

AZrX3(A=Ba,Ca; X=S,Se, Te)钙钛矿结构及光电特性的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，考虑自旋轨道耦合(SOC)效应，采用Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE06)杂化泛函对带隙进行修正，系统研究了AZrX₃(A=Ba, Ca; X=S, Se, Te)无铅钙钛矿的晶体结构、电子结构和光学性质。结果表明，AZrX₃钙钛矿为直接带隙半导体材料，且材料的容忍因子介于0.85～0.95之间、形成能位于-1.09～-1.83 eV/atom之间、分解能介于-0.09～0.06 eV/atom之间，表明AZrX₃钙钛矿具有稳定的结构。其中，BaZrS₃具有空穴有效质量小(0.21 m₀)、载流子迁移率高、可见光吸收范围宽、光吸收系数高(～4×10⁵cm^-1)等特点，且光谱极限最大效率(SLME)可达32.36%,高于CH₃NH₃PbI₃(～30%),是很有前途的太阳电池材料。AZrSe₃     

平面应变对二维单层MoSi2N4能带结构和光电性质的影响

二维单层MoSi₂N₄具有优异的载流子输运能力与出色的化学稳定性, 受到了广泛关注, 但其光电性质与外加平面应变间的内在关系尚未展开深入探讨。本研究采用平面波超软赝势方法探索了平面应变对二维单层MoSi₂N₄能带结构和光电性质的影响, 发现单层MoSi₂N₄为间接带隙半导体, 其价带顶由Mo4d轨道和部分N2p轨道杂化而成, 导带底则均由Mo4d轨道组成。在拉应变作用下, 单层MoSi₂N₄的带隙逐渐变窄且光生载流子的有效质量不断减小; 在压应变作用下, 其带隙逐渐变宽, 光生载流子的有效质量缓慢增大。值得注意的是, 当压应变ε=-2.8%时, 体系由间接带隙转变为直接带隙。单层MoSi₂N₄的光学吸收表现出明显的各向异性, 且在平面应变作用下光吸收带边发生了不同程度的移动, 有效地拓展了体系的光谱响应范围, 有利于提升光电特性。这可为进一步研究二维单层MoSi₂N₄在新型可调谐纳米光电器件领域的应用提供理论指导。     

氧化石墨烯的制备及其负载抗感染药物的研究

石墨烯是由碳原子以sp2杂化排列形成的,具有单原子层结构的新型二维原子晶体。迄今为止,石墨烯的量子物理特性及其在纳米电子元件、透明导体、纳米复合材料等方面的潜在应用已被人们研究,但其在生物医药领域的应用却很少有报道。文章制备出功能化的氧化石墨烯具有良好的水溶性和稳定性,通过研究氧化石墨烯与抗感染药物-哌拉西林钠他唑巴坦钠的作用机制,探索其在生物医药领域的应用。     

Ca2Si电子结构和光学性质的研究

采用第一性原理赝势平面波方法系统的计算了Ca2Si电子结构和光学性质，其中包括能带、态密度、介电函数、复折射率、吸收系数、光电导率和能量损失函数。计算结果显示Ca2Si是典型的半导体，正交相结构有一个直接的带隙，并且光学性质显示出各向异性。Ca2Si立方相的计算结果也显示是直接带隙半导体，并且有很高的振子强度。从能带和态密度的计算结果判断出它们的光学性质主要由Si的3p态电子向Ca的3d态的带间跃迁所决定。     

氧化石墨烯纳米带杂化粒子和石墨烯纳米带的研究进展

氧化石墨烯纳米带杂化粒子是将氧化石墨烯纳米带(GONRs)与其他纳米粒子经π-π键、氢键等结合方式复合在一起,通过这种特殊的结合形态一方面可以有效地防止GONRs的聚积,另一方面新的纳米粒子的引入能够赋予该杂化材料某些特殊的性能,从而有利于充分发挥GONRs杂化材料在聚合物改性等领域的综合性能。本文综述了氧化石墨烯纳米带杂化粒子的制备方法、性能和应用现状。此外,针对GONRs的还原产物石墨烯纳米带(GNRs)的结构、性能、制备方法及其应用领域也进行了系统性地论述。相关研究表明,氧化石墨烯纳米带杂化粒子的设计与制备是氧化石墨烯纳米带迈向实用领域的一个有效途径,而石墨烯纳米作为石墨烯的一种特殊结构的二维变体,继承了石墨烯优良的导电和导热等性能,同时特殊的边缘效应,因而呈现出了更广阔的应用潜力。     

原料尺寸对氧化石墨与石墨烯性能的影响

采用改进的Hummers法对不同尺寸的天然石墨进行氧化处理,水合肼还原获得石墨烯。利用红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)、X射线衍射(XRD)等对天然石墨、氧化石墨和石墨烯的化学结构、光谱学及结晶性进行表征。结果表明:天然石墨被充分氧化为氧化石墨,氧化石墨被还原为完美的石墨烯;天然石墨尺寸越小,氧化程度越大,氧化石墨的层间距越大;氧化石墨的D峰和G峰的强度比ID/IG与天然石墨尺寸大小成正比;与同尺寸的氧化石墨相比,石墨烯的ID/IG值比氧化石墨的大,说明石墨烯中sp2杂化碳层平面的平均尺寸小于氧化石墨的平均尺寸,新生成的石墨化区域被一些缺陷分割成尺寸更小的sp2杂化区域。     

纳米Si薄膜光学性质和弹性常数的研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理的方法,对厚度为0.54～3.30nm纳米Si薄膜的电子结构、光学性质及弹性常数进行了计算。结果表明,纳米Si薄膜是直接带隙半导体材料;随着纳米Si薄膜厚度的减小,带隙逐渐增大;薄膜的光学吸收边发生蓝移,吸收带出现宽化现象;弹性常数、杨氏模量和泊松比呈现尺寸效应。     

新型稀磁半导体(La_(0.75)Ba_(0.25))(Ag_(0.75)Mn_(0.25))SO电子结构与光学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对新型稀磁半导体(La_(0.75)Ba_(0.25))(Ag_(0.75)Mn_(0.25))SO的电子能带结构、自旋极化态密度和光学性质进行了计算与分析。计算结果表明La_(0.75)Ba_(0.25)Ag_(0.75)Mn_(0.25)SO为直接带隙半导体,能隙约为1.2 eV,掺杂后体系带隙明显减少;费米面附近态密度发生劈裂,出现了明显的自旋有序排列,呈明显的铁磁性,磁性的产生是通过Mn3d和相邻S3p原子之间的p-d杂化作用实现的;La_(0.75)Ba_(0.25)Ag_(0.75)-Mn_(0.25)SO反射主峰与吸收曲线峰值都在紫外波段,而且集中在100~300 nm的范围。但在近红外和可见光区,此材料反射和吸收都较低,可用于可见光高透明的领域。     

Shallow defect states in hydrogenated amorphous silicon oxide

The theoretical cluster-Bethe-lattice method is used in this study to investigate the shallow defect states in hydrogenated amorphous silicon oxide. The electronic density of states (DOS) for the SiO₂ Bethe lattice of various Si–O–Si angles, non-bridging oxygen Si–O^√, peroxyl radical Si–O–O^√, threefold coordinated O₃ and Si–H bonds are calculated. The variation of the Si–O–Si bond angle causes the bandgap fluctuation and induces tail states near the conduction band minimum. The Si–O^√ and Si–O–O^√ bonds introduce shallow defect states in the energy gap near the top of the valence band. The Si–H bond induces a defect state, in the energy gap near the conduction band minimum, in a-SiO_x with high oxygen concentration, but not low oxygen concentration. The O₃ bond itself does not induce defect state in the energy gap. The O₃⁺D⁻ complex, formed by the O₃ and threefold coordinated silicon, induces shallow state in the energy gap near the conduction band minimum. This defect state can explain the energy shift of photoluminescence of a-SiO_x:H under annealing.     

Zn3-xMnxTeO6的晶体结构与吸收光谱和磁性研究

本工作主要研究Mn ²⁺离子掺杂的类刚玉系氧化物Zn₃TeO₆(0<x≤2.0)的晶体结构与光学性质和磁性的变化。Zn_3-xMn_xTeO₆粉末样品通过固相反应合成。Mn掺杂量的相图表明, x<1.0时保持单斜(C2/c)结构, 1.0≤x≤1.6为单斜(C2/c)和三方六面体混合相(R-3), x≥1.8时完全转变为R-3相, 且x=2.0时形成ZnMn₂TeO₆, Te-O和Mn/Zn-O键长增大, 八面体发生更大畸变。X射线粉末衍射结构精修也表明R-3相中Zn/MnO₆为畸变八面体。随着Mn ²⁺掺杂含量的增加, Zn_3-xMn_xTeO₆系列化合物不仅结构发生变化, 其颜色也由浅变深。紫外吸收光谱中随着掺杂浓度的增加, 400~550 nm处的吸收增强, 样品的光学带隙也由3.25 eV (x=0.1)逐渐减小到2.08 eV (x=2.0), 分析表明, 可见区吸收的增强是源于MnO₆八面体中Zn/MnO₆八面体中Mn ²⁺离子的d-d跃迁, 导致样品由浅黄色逐渐变为暗黄色。 磁性测试表明, 固溶体的反铁磁转变温度随着Mn ²⁺掺杂量的提高而逐渐增加, 且掺入的Mn ²⁺离子以高自旋态 存在。     

杂化钙钛矿(HOC2H4NH3)2CuCl4的制备与表征

采用低温溶液法合成了新型层状有序的含有羟基的有机/无机杂化钙钛矿材料(HOC₂H₄NH₃)₂CuCl₄, 采用元素分析、红外光谱、紫外-可见光吸收光谱、X射线衍射和X射线吸收精细结构等手段对其结构与性能进行了表征。结果表明:该材料通过无机框架诱导有机组分有序排列, 形成了规则的层状结构, 有序性高。该杂化钙钛矿材料的分解温度为212℃, 电阻率为2.86×10⁶ Ω·cm, 比不含羟基杂化钙钛矿的电阻率低两个数量级。紫外-可见光吸收光谱显示285 nm左右有一归因于电子从Cl(3p)价带顶跃迁到Cu(4s)导带底而产生的吸收峰。X射线吸收精细结构谱图表明: 二维层状杂化钙钛矿晶体中的Cu²⁺与6个Cl^-形成八面体配位, Cu-Cl键长为0.191 nm, 层间距为1.099 nm。     

第一原理研究LuPO4中氧空位的性质

磷酸结构的晶体在掺杂二价阳离子后容易形成产生焦磷酸结构(P₂O₇) ^4-, 这种含有焦磷酸结构的氧化物材料十分适合做质子导体、燃料电池、气体传感器以及陶瓷膜等。本文利用第一性原理研究了LuPO₄晶体中氧空位的结构性质, 结果显示当氧空位带二价正电时, 会引发氧空位周围原子奇特的畸变, 形成焦磷酸结构。为了解释这种结构畸变的机理, 本文利用过渡态搜索计算了结构变化过程中势能面的变化情况, 正一价氧空位形成焦磷酸 结构需要越过2.4 eV的势垒, 而正二价氧空位形成焦磷酸结构则不需要越过任何势垒, 因此很容易形成焦磷酸 结构。最后给出氧空位不同带电态的晶格结构、电子态密度以及电荷密度分布等基本物理性质, 氧空位处于正二价态结构下, 氧空位附近的P原子与O原子成键, 又由于O原子有较强的电负性, P的s轨道电子向O的p轨道转 移。P的s、p轨道在禁带中出现了与总态密度对应的缺陷能级, 结果表明带正二价氧空位的晶体性质发生了明显变化。     

Ab-initio calculations of synergistic chromium–nitrogen codoping effects on the electronic and optical properties of anatase TiO2

Electronic and optical properties of compensated and noncompensated (Cr, N) codoped TiO₂ have been investigated using density functional theory with plane wave basis set and pseudopotential. To investigate the formation of defect pair in the codoped models, defect pair binding energy was calculated. Compensated codoped model has two Cr atoms doped at Ti sites, one N atom at O sites along with an oxygen vacancy that gave stable configuration, better electronic and optical properties. Defect pair binding energy of this model showed that, individual defects would bind each other leading to stable configuration compared to mono-doped models. Band structure results showed that compensated (Cr, N) codoping introduced substantially broaden intermediate states in the forbidden band along with narrowed band gap. Furthermore, the Fermi level was shifted from top of the valence band to middle of the forbidden band describing half metallic character. Cr doping changed the nature of N 2p states from unoccupied to occupied which will improve electron–hole pair separation. Optical properties comparison showed that all doped models effectively shifted the absorption edge of TiO₂ towards visible light. Compensated (Cr, N) codoped TiO₂ has better optical properties and covered wide absorption band in the visible light region, attributed to the stable configuration, narrowed band gap and widely distributed states in the band gap. Our results provide reasonable explanation of the experimental findings.     

Hartree–Fock study of near-edge gap states in CaF2 with Na, Cl or Sr impurities

The energy of formation and electronic structure of Na⁺, Cl⁻ and Sr²⁺ impurity centers in CaF₂ have been computed using ab initio Hartree–Fock theory and the supercell approach. The work extends and complements recent results [Solid State Commun. 118 (2001) 569] for Mg²⁺ as a substitutional impurity in CaF₂. For Na⁺ substituting for Ca²⁺ [S(Na)], charge compensation by an F⁻ vacancy [V(F)] or by a second, interstitial Na⁺ [I(Na)] are both considered. In all cases, geometry optimization is done by relaxing the positions of nearest- and next-nearest-neighbors to minimize the total energy. After correction for electron correlation, the energies of formation increase in the order Mg²⁺2+−+ results are in agreement with previous Mott–Littleton formation energies. Ion charges, charge density maps and Mulliken bond populations are obtained to show the nature of bonding in the vicinity of the defect. Na⁺ leads to states just above the CaF₂ valence band maximum (VBM), and Na⁺ (and also Mg²⁺) produce states just below the conduction band minimum. The results are in qualitative agreement with available optical data for Na⁺ and Mg²⁺ impurity effects on CaF₂ near-edge absorption but show that gap states are important in addition to perturbed excitons. A Cl⁻ impurity yields a narrow band of states above the VBM which may significantly affect the deep-ultraviolet transmission of CaF₂. Sr²⁺ does not appear to produce states in the CaF₂ gap.     

基于纳米银负载氧化石墨烯的新型聚乙烯复合材料

通过超声波辅助液相法将纳米银(AgNPs)与氧化石墨烯(GO)结合制得了一种新的负载纳米银的氧化石墨烯材料AgNPs@GO。分析表明在该材料中AgNPs主要被锚接在GO片层的含氧基团和缺陷上, 部分Ag单质被氧化为Ag ⁺离子并有部分GO被还原。AgNPs@GO能有效抑制铜绿假单胞菌生长, 其抑菌能力显著强于AgNPs和GO。将AgNPs@GO作为添加剂引入聚乙烯(PE)基体, 进一步制备了新型的AgNPs@GO掺杂PE复合材料0.48wt%-AgNPs@GO/PE, 相比PE和AgNPs掺杂PE复合材料, 0.48wt%-AgNPs@GO/PE具有更好的抑菌能力和更强的阻隔水蒸气性能, 并且在水和乙醇溶液中都具有较好的耐溶出性能。     

高掺杂N对金红石型TiO2电子结构和红移影响的理论研究

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,在相同环境条件下分别建立了未掺杂和取代O高掺杂N原子的金红石型TiO2超胞模型,优化了晶胞的几何结构,计算了能带分布、态密度分布和吸收光谱.结果表明,金红石型TiO2-xNx超胞取x=0.0625的条件下,N的2p态与O的2p态发生杂化耦合,使其价带上移、最小带隙变...     

Influence of Si doping level on the Raman and IR reflectivity spectra and optical absorption spectrum of GaN

The optical absorption (hν) and Raman and Infra Red (IR) spectra of Si doped GaN layers deposited on sapphire through buffer layers have been recorded for electron concentrations from 5×10¹⁷ to 5×10¹⁹ cm⁻³. The (hν) values deduced from photothermal deflection spectroscopy (0.5–3.5 eV) and IR absorption (0.15–0.5 eV) vary between 50 and 10⁴ cm⁻¹ showing doping dependant free electron absorption at low energy, doping independant band gap at high energy, and slowly doping dependant defect absorption in the medium energy range. In our micro Raman geometry, maxima appear or can be deduced near the frequency expected for either the A₁(LO⁻) or the A₁(LO⁺) modes split from the A₁(LO) mode by plasmon phonon interaction. There is a large systematic evolution in the expected way for the IR reflectivity.     

退火气氛对镶嵌在SiO2中Ag纳米颗粒热演变影响效应的研究

将70 keV的Ag离子以5×10¹⁶ cm^-2的剂量注入到SiO₂基底中, 随后分别在400~800℃的Ar、N₂、空气气氛中退火, 详细研究了样品的表面形貌、光吸收特性、结构及成分随退火气氛及退火温度的变化规律。原子力显微镜、紫外-可见分光光度计及掠入射X射线衍射仪的测试结果显示: Ar气氛退火样品中形成的Ag纳米粒子(NPs)细小均匀, 其颗粒密度在700℃时达到最大值, 光吸收性能最佳; N₂气氛退火引发Ag纳米颗粒的团聚生长, 在样品近表面形成较大的Ag NPs, 其颗粒密度也在700℃时达到最大值; 而空气中退火后, 由于AgO的形成、分解, 样品的光吸收强度随退火温度升高持续下降。最后, 卢瑟福背散射研究结果表明, 样品的这些变化主要归因于Ag原子在不同退火气氛下随退火温度的扩散行为不同。