六方Fe2Ge合金块体及其(001)表面电子结构和磁性的第一性原理

采用基于密度泛函理论第一性原理的赝势平面波方法,计算了块体Fe₂Ge及其(001)表面的电子结构和磁性。考虑了两种类型的终端(001)表面:Ge(Ⅰ)-(001)表面和Ge(Ⅱ)-(001)表面。电子结构方面,不同类型的Fe₂Ge(001)表面都表现出金属特性,这与块体的金属性保持一致。通过计算它们的自旋极化率,得出Ge(Ⅰ)-(001)表面的自旋极化程度最高。磁性方面,在块体和Ge(Ⅱ)-(001)表面的Ge原子是铁磁自旋有序的,而在Ge(Ⅰ)-(001)表面第一层的Ge原子是亚铁磁自旋有序的。此外,Ge(Ⅱ)-(001)表面Ge原子的自旋磁矩优于块体中和Ge(Ⅰ)-(001)表面Ge原子的自旋磁矩。这些结果与Fe的d态和Ge的p态电子的杂化有关,本文中通过分析它们的态密度进行了讨论。     

SiH4在Si(001)-(2×1)表面吸附的第一性原理研究

用第一性原理密度泛函理论研究SiH4在Si(001)-(2×1)表面的分裂吸附及吸附后的结构、能量和成键特性,计算了反应物、过渡态及生成物三个状态的能量,吸附能和反应能.计算结果表明:SiH4在Si(001)-(2×1)重构表面吸附的可能反应路径是由于SiH4中Si-H键的拉长和二聚体键的断裂导致的,形成产物Si(001)-(2×1)(SiH3:H);由SiH4分裂的能量势垒0.78 eV说明所推测的反应路径是合理的.     

Si(100)表面吸附Sr的建模与第一性原理计算

为了研究Sr在Si(100)表面的稳定吸附结构和吸附特性,采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法,通过改变Sr在Si(100)表面的覆盖度和吸附位置,计算了Si(100)表面吸附Sr的吸附能、电子态密度、电子布居、电荷密度和差分电荷密度.计算结果表明,三种吸附位置中,空位的吸附能最低,Sr与Si(100)表面的作用力最大,结构最稳定;覆盖度越低,吸附能越小,Sr与Si(100)表面的作用力越大,吸附结构越稳定.Sr、Si原子间的作用力主要由Sr的3d轨道电子和Si的3s、3p轨道电子杂化耦合作用(d-sp3杂化)贡献,包括共价键和离子键.共价键和离子键的强度均随覆盖度增大而减弱,这可能是由于Sr与Sr之间的排斥力减弱了Sr与Si之间的作用力,并且这种排斥力随覆盖度增大而增大.     

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...     

MOVPE生长m面GaN薄膜的表面吸附研究

采用基于密度泛函理论的Materials Studio中的CASTEP模块,对金属有机物气相外延MOVPE生长m面GaN薄膜的表面反应前体的吸附过程进行研究.针对吸附粒子GaCH3和NH3在m面GaN表面不同的初始吸附位,优化计算了GaCH3和NH3在表面的吸附能、与近邻原子的距离、态密度、电荷密度分布、电子布居.计算结果表明,GaCH3在表面Ga brg2位优化之后的位置最稳定,吸附能最低,GaCH3中的Ga原子与表面邻近的N原子、Ga原子分别形成Ga-N、Ga-Ga共价键.NH3在表面N brg2位最稳定,吸附能最低,NH3中的N原子与表面邻近的Ga原子形成N-Ga共价键.通过对比在最佳吸附位的MMG中的Ga原子和NH3中的N原子与表面原子的电荷分布情况和布居数,证明上述吸附粒子与表面确实存在共价作用,形成共价键.     

TFSI钝化晶体硅表面性质的第一性原理研究

晶体硅表面钝化是高效率晶体硅太阳能电池的核心技术,直接影响晶体硅器件的性能。本文采用第一性原理方法研究了一种超强酸-双三氟甲基磺酰亚胺(TFSI)钝化晶体硅(001)表面。研究发现,TFSI的四氧原子结构能够与Si(001)表面Si原子有效成键,吸附能达到-5.124 eV。电子局域函数研究表明,TFSI的O原子与晶体硅表面的Si的成键类型为金属键。由态密度和电荷差分密度分析可知,Si表面原子的电子向TFSI转移,从而有效降低了Si表面的电子复合中心,有利于提高晶体硅的少子寿命。Bader电荷显示,伴随着TFSI钝化晶体硅表面的Si原子,表面Si原子电荷电量减少,而TFSI中的O原子和S原子电荷电量相应增加,进一步证明了TFSI钝化Si表面后的电子转移。该工作为第一性原理方法预测有机强酸钝化晶体硅表面的钝化效果提供了数据支撑。     

S吸附对SiC表面不同重构结构的影响

SiC表面重构的发生会引起表面态密度增加,极大地影响SiC功率器件的性能.本文对4H/6H-SiC(0001)-Si端的(3×3)R30°和(3×3)重构结构及3C-SiC(0001)-Si端的(3×2)和(2×1)重构结构分别进行了S原子的吸附研究.结果表明:吸附S原子可以打开表面重构键,不同重构结构均有向体结构恢复的趋势.(3×3)R30°和(3×3)重构的最佳吸附率分别是1/2ML和1/3ML,S吸附对(3×3)R30°重构的作用更大.(3×2)重构表面在1/6ML下的H3位吸附、(2×1)重构表面在1/2ML下的B位吸附时吸附能最低.S钝化后,3C-SiC比4H/6H-SiC体系表面吸附能小,更稳定,重构结构恢复更理想.     

硼掺杂和氮掺杂金刚石的吸附生长过程研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,探究了化学气相沉积硼掺杂和氮掺杂金刚石的吸附生长过程:建立了一端为氢终止表面的金刚石基底模型以及单个氮取代或单个硼取代的掺杂金刚石基底模型,并计算这些模型的最优稳定结构;研究了不同碳氢基团(C、CH、CH2、CH3)、硼氢基团(B、BH、BH2)和氮氢基团(N、NH、NH2)在有活性位点的不同基底上的吸附过程和吸附难易程度.对比计算结果表明:硼原子和氮原子能通过原位取代的方式掺杂进入金刚石晶格中,并且带有两个氢的基团(BH2、NH2)是最有利的掺杂基团;氮原子通过取代进入金刚石晶格中后,难以形成氮二聚体,不能大量掺杂,而硼原子较易形成硼二聚体,可以实现大量掺杂.     

缺陷双层石墨烯吸附碱金属原子的第一性原理研究

采用基于密度泛函的色散修正方法研究了Li、Na、K、Rb吸附在单空位缺陷(SV)双层石墨烯(BLG)表面的体系,对吸附体系的晶体结构、吸附能、电荷转移、扩散行为和电子结构进行了计算和分析.结果表明,碱金属原子更容易吸附在缺陷区域空位上方;使BLG平均层间距减少了0.0100～0.0137 nm;吸附体系的Bader电荷、电荷密度差分和电子结构的计算结果表明,碱金属原子与BLG之间结合属于离子键.通过计算扩散能垒发现,脱离缺陷所需激活能比朝向缺陷扩散的能垒大0.300～0.640 eV,表明SV缺陷能够捕获Li、Na、K、Rb原子.     

Sn掺杂Ⅰ型单晶笼合物Sr8Ga16Si30的能带及电子结构研究

Ⅰ型Sr填充Si基单晶笼合物为具有较高热电性能的热电材料.基于第一性原理分别对Sr填充Si基笼合物Sr8Ga16Si30-xSnx(x=0、1、5、10)的能带结构和态密度进行计算,结果表明随着Sn原子含量的增加,笼合物晶格常数变大,带隙变小,Sn原子和Si原子的共同作用使得材料能带结构发生改变,Sn掺杂使得材料的带边结构不对称性加剧,表明其因具有较为优越的热电性能.     

WO3（001）极性表面及氢吸附特性的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对WO3 (001)的极性表面及其氢吸附特性进行了理论计算.通过对比WO表面和纯氧表面的表面化学势研究了两个极性表面的热力学稳定性,并分别计算了表面的几何结构和电子结构.结果表明:在贫氧环境中WO表面比较稳定,而在富氧环境中纯氧表面更稳定,WO表面和纯氧表面分别呈现n型半导体和p型半导体特性,表面原子通过调整W-O键长和键角实现表面弛豫.氢原子在两个极性表面不同吸附位置的计算表明:对WO表面和纯氧表面,W5c位和O1c位分别是稳定的吸附位置,且两者具有不同的反应特性.     

温度对SiO2表面上磁控溅射制备Ge纳米点的生长模式和尺寸的影响

采用磁控溅射技术在SiO2/Si(100)表面上制备了一系列不同生长温度的Ge纳米点样品.原子力显微镜(AFM)的实验结果表明:不同衬底温度下Ge纳米点在SiO2薄膜上的生长模式和尺寸分布有所不同.当衬底生长温度达到500 ℃时,SiO2开始与Ge原子发生化学反应,并形成"Ge纳米点的Si窗口".在此温度条件下,外延生长实验可获得尺寸均匀且密度高达3.2×1010 cm-2的Ge纳米点.     

Li吸附对石墨烯、BC5、C5N电学性质影响的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,对Li在本征石墨烯和BC5,C5N表面最稳定位置的吸附进行了结构优化,计算了本征石墨烯及BC5,C5N吸附Li前后的能带结构,态密度,电荷转移,差分电荷密度和结合能.计算结果表明,B掺杂浓度为16.67;(原子分数)时可显著提高石墨烯的Li吸附能,N掺杂浓度为16.67;(原子分数)时减弱了石墨烯的Li吸附能.吸附Li 后的graphene-Li、BC5-Li 和C5N-Li 体系均显示出金属性,巨Li 与石墨烯、BC5和C5N体系间存在离子键和共价键的混合.     

ZnO(110)单层膜对O的自吸附及其电子结构的研究

基于密度泛函理论方法研究分析了一种Zn顶位吸附O的ZnO(110)-O二维膜材料的结构、结合性质、磁性质、电子结构和光吸收性质.结果表明,ZnO(110)二维膜经过O吸附之后,Zn-O键长分别增大到0.1992 nm和0.1973 nm,Zn-O链之间的距离减小到0.5628 nm,O-Zn-O键角度为108.044°,ZnO(110)膜Zn顶位对O原子的吸附为倾斜的吸附.经过Zn顶位O的吸附,ZnO(110)二维膜内原子间离子性结合性增强,吸附的O与Zn也形成偏离子性结合键,Zn顶位吸附O原子之后能量有所降低,吸附体系为反铁磁性材料.O吸附的ZnO(110)-O二维膜为间接带隙型材料,带隙宽度为0.565 eV.材料中的p电子对费米能处态密度贡献较多.ZnO(110)-O二维膜最高吸收峰位于156 nm,吸收率为67181光吸收单位,其在445 nm以上具有宽的强吸收带.     

Ba掺杂Si 笼状化合物结构和电子性质的研究

利用第一性原理研究了Ba_8Si_(46)和Ba_8Ag_6Si_(40)笼状化合物的电子性质.对于Ba_8Si_(46),化合物中Ba原子5d轨道与Si原子3s,特别是3p轨道杂化,一方面导致了Ba_8Si_(46)在费米能级附近有很高的态密度,另一方面说明了笼内Ba原子和笼上Si原子之间存在耦合.对于Ba_8Ag_6Si_(40)分析结果表明,由于Ag的5s轨道向Si的3p轨道转移电子,导致Ag与Si原子间成键趋向离子键.带结构显示这两种化合物具有弱金属特征,但Ba_8Ag_6Si_(40)化合物与费米能级相交的带宽较大,预期这种化合物具有更好的导电性能.     

离子束溅射制备Si/Ge多层膜的结晶研究

采用离子束溅射制备Si/Ge多层膜,通过X射线小角衍射计算其周期厚度及各子层的厚度,用Raman光谱对Si/Ge多层膜的微观结构及Si子层的结构进行表征.结果表明,所制备的Si/Ge多层膜中,当Ge子层的厚度为6.2nm时,Si子层的结晶质量较好,表明适量的Ge含量有诱导Si结晶的作用.     

Li吸附对石墨烯、BC7、C7N电学性质影响的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,对Li在本征石墨烯、BC7和C7N表面最稳定位置的吸附进行了结构优化,计算了本征石墨烯、BC7和C7N吸附Li前后的能带结构,态密度,电荷转移,差分电荷密度和结合能。结果表明,B掺杂浓度为12.5%(原子分数)时可显著提高石墨烯的Li吸附能,N掺杂浓度为12.5%(原子分数)时减弱了石墨烯的Li吸附能。吸附Li后的graphene-Li、BC7-Li和C7N-Li体系均显示出金属性,且Li与石墨烯、BC7和C7N体系间存在离子键和共价键的混合。     

锑烯表面碱金属原子吸附和扩散行为研究

锑烯是一种新兴的具有多种新奇特性的二维材料.本文基于密度泛函理论的第一性原理方法,主要研究了Li、Na、K原子在锑烯表面的吸附和扩散行为.结果显示,Li、Na、K原子在锑烯表面吸附时,具有较大的吸附能,分别为-2.36 eV,-1.84 eV和-1.60 eV.通过引入垂直于衬底指向吸附原子的外电场,发现它们的吸附能和转移电荷都随着外加电场的增加而增加,其中对K原子的吸附能和转移电荷影响最显著.采用Climbing Image-NudgedElastic Band (CI-NEB)的方法研究得出Li、Na和K在锑烯表面的扩散行为都具有较小的扩散势垒,其中Li为0.09eV,Na为0.08 eV,而K仅有0.04 eV,这有利于碱金属原子在锑烯表面的扩散.研究结果为进一步了解锑烯的性质和应用推广提供了基础理论支持.     

CdTe(110)表面原子与电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了CdTe(110)表面的原子和电子性质.结果表明,CdTe(110)理想表面在禁带中出现两个明显的表面态,弛豫后表层Cd原子和Te原子p态电子发生转移,Cd原子趋向于sp2平面杂化构型,Te原子趋向p3杂化的锥形构型.经过表面弛豫大大降低了表面能,增大了表面功函数,表面占据态和表面空态分别被推进价带顶之下和导带底之上,导致弛豫表面没有明显的表面态.     

GaN的MOVPE生长中台阶表面吸附的 量子化学计算

利用量子化学的密度泛函理论,计算GaN的MOVPE生长中主要的表面反应前体NH3、GaCH3(简写为MMG)在GaN(0001)面台阶处的吸附特性,并与理想平台表面对比.结果表明,在台阶吸附时,NH3有分子吸附和分解吸附两种结构,MMG只有两种分子吸附结构.NH3分子吸附时,吸附能在台阶处大于在平台表面;NH3分解吸附时,吸附能在平台表面大于在台阶处.说明NH3在台阶处容易发生分子吸附,而在平台表面容易发生分解吸附.MMG在台阶处的吸附能均大于在平台表面,说明它们在台阶处吸附比理想表面更容易.