氢化与氟化五边形石墨烯双层电子性能调控的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,我们研究了氢化、氟化及氢氟化五边形石墨烯双层对其电子性能的调控.计算结果表明,氢化和氟化的五边形石墨烯双层可分别在价带顶及导带底形成局域的电子态而显著降低带隙.基于这一特性,我们进一步研究氢氟化的五边形石墨烯双层结构对电子能带的影响,并且发现通过调控氢氟化覆盖度能够有效调节带隙,进而实现五边形石墨烯双层从半导体到金属态的转变.     

氧化石墨烯负载的Pt单原子催化硼胺烷水解机理的理论研究

本文研究了氧化石墨烯负载Pt单原子(Pt₁/Gr-O)催化硼胺烷(NH₃BH₃)全水解反应机理,即一分子的NH₃BH₃生成三分子的氢气(H₂)的过程. 在水解路径中,首先吸附的硼胺烷连续断裂两个B-H键生成第一分子的H₂. 接着,一个H₂O分子与^*BHNH₃基团(^*表示吸附态)反应生成^*BH(H₂O)NH₃,其中伸长的O-H键断裂后形成^*BH(OH)NH₃. 然后,第二个H₂O与^*BH(OH)NH₃反应生成^*BH(OH)(H₂O)NH₃,在指向Pt₁/Gr-O表面的O-H断裂后,生成BH(OH)₂NH₃并脱附到水溶液中. 两个水分子脱氢产生的两个H原子脱附生成第二个H₂分子,且Pt₁/Gr-O催化剂恢复. 脱附后的BH(OH)₂NH₃在水溶液中水解生成第三个H₂分子. 纵观整个水解反应,H₂O分子和^*BHNH₃基团的结合是反应速控步,其反应能垒是16.1 kcal/mol. 因此,Pt₁/Gr-O有希望成为室温催化NH₃BH₃全水解催化剂.     

半氢化石墨烯与单层氮化硼复合体系的电子结构和磁性的调控

采用密度泛函理论第一性原理的PBE-D_2方法,对半氢化石墨烯与单层氮化硼(H-Gra@BN)复合体系的结构稳定性、电子性质和磁性进行了系统的研究.计算了六种可能的堆叠方式,结果表明:H-Gra@BN体系的AB-B构型是最稳定的,为铁磁性半导体,上、下自旋的带隙分别为3.097和1.798 e V;每个物理学原胞具有约1μB的磁矩,该磁矩主要来源于由未氢化的C_2原子的贡献;在z轴方向压应力的作用下,最稳的H-Gra@BN体系的电子性质由磁性半导体转变为半金属,再转变为非磁性金属;预测了一种能方便地通过应力调控电子性质和磁性质的新型材料,有望应用在纳米器件以及智能建筑材料等领域.     

ITO负载单原子钇吸附NO和CO的第一性原理研究

基于密度泛函理论,对氧化铟锡(Indium Tin Oxide,ITO)表面负载单原子Y模型的表面性能进行了第一性原理计算.根据表面能计算结果可知,单原子Y最稳定负载位置为空位(H),即确定了ITO负载单原子钇(Single-atom Y supported on ITO,Y/ITO)稳定模型.对ITO和Y/ITO表面吸附气体分子(NO和CO)模型的吸附性能进行了第一性原理计算.根据对比ITO和Y/ITO表面的吸附能和态密度计算结果可知,单原子钇负载提高了ITO表面的稳定性和吸附性能.根据对比Y/ITO表面吸附NO和CO气体分子的吸附能和态密度计算结果可知,NO和CO气体分子吸附均为自发行为,过程放热.且NO气体分子更容易吸附在Y/ITO表面,即Y/ITO对NO气体分子更敏感.     

硼掺杂增强g-C3N4基单原子催化剂性能的第一性原理研究

单原子催化剂(SACs)以其最大的金属原子利用率和较高的催化活性而备受关注.本文提出了在Mn负载g-C₃N₄单层(Mn/g-C₃N₄)中进行B掺杂的方案来提升单原子催化剂的光催化活性,并利用第一性原理对Mn/B-g-C₃N₄单原子催化剂的晶体结构,电子结构,带边位置和光学性质进行计算.计算结果表明B掺杂具有较强的结构稳定性,带隙变小,同时带隙中出现杂质能级,导致吸收边向可见光区发生红移,提高了g-C₃N₄在太阳光下光吸收能力和光催化活性,研究结果为制备高效的g-C₃N₄基光催化SACs提供了理论指导.     

铁（Fe）原子改性石墨烯对沙林分子的吸附性质研究

利用第一性原理密度泛函理论,系统研究了本征石墨烯、单个Fe原子修饰石墨烯对沙林分子的吸附性质. 吸附能、电子态密度和密立根电荷密度等相关性质计算表明：本征石墨烯对沙林分子的吸附作用为弱的物理吸附;Fe原子的引入,明显增强了石墨烯基底对沙林的吸附作用,沙林分子态密度更加弥散,并且向低能方向移动,沙林分子与Fe改性石墨烯体系之间存在明显的电荷转移,吸附体系更加稳定. 相应工作的开展,为沙林毒剂分子的识别、防护提供了理论依据.     

H2O分子在五边形BCN上的吸附与解离特性研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了H₂O分子在五边形BCN上的吸附与解离过程.研究结果表明,五边形BCN结构的B原子是H₂O分子的最稳定的活性吸附位点. H₂O分子在该活性位点极易解离,其初步解离过程为放热反应且分解势垒仅为0.191 eV,并形成稳定的OH/H产物.深入研究发现,H₂O分子初步解离后的五边形BCN表面,可直接分解后续吸附的H₂O分子.该研究结果为五边形BCN对H₂O分子的吸附解离机制提供理论借鉴.     

H2S在五边形BCN上的吸附与解离的第一性原理计算研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了H2S分子在五边形BCN上的吸附与解离过程. 研究结果表明,五边形BCN结构的B原子是H2S分子的最稳定的活性吸附位点. H2S分子在该活性位点极易解离,其初步解离过程为放热反应且分解势垒仅为0.208 eV,并形成稳定的HS/H产物. 深入研究发现,H2S分子初步解离后的五边形BCN表面,可直接分解后续吸附的H2S分子. 该研究结果为五边形BCN对H2S分子的吸附解离机制提供理论借鉴,并且首次提出五边形BCN可作为功能性材料净化有害气体H2S的理想候选者.     

单原子Pt吸附于不同原子暴露终端BiOBr{001}面的第一性原理研究

基于密度泛函理论(density functional theory, DFT)的第一性原理方法研究了暴露不同原子终端的BiOBr{001}表面以及单原子Pt吸附于BiOBr{001}-BiO不同位置的几何构型、电子结构、光学性质和电荷转移.计算结果表明:BiOBr{001}面BiO终端暴露可诱导产生表面态且价带和导带能级向低能方向移动,光氧化性增强,尤其导带下方出现的表面态能级有助于光生电子-空穴对的分离和迁移,光吸收显著增强,且BiOBr{001}面BiO终端的功函数远低于贵金属Pt,有利于电荷定向转移.其次,单原子Pt吸附于BiOBr{001}-BiO为基底的表面,在禁带中间诱导产生杂质能级, Pt吸附于穴位时吸附能最小,光响应能力最好且电荷转移量最大,吸附于顶位和桥位时,形成开放性的贫电子区域,因此可预测穴位为Pt原子的吸附位点,预示其良好的降解有机污染物效果, Pt吸附于BiOBr{001}-BiO的顶位和桥位,具有潜在的CO_2还原或固氮等领域应用.     

双轴向应变对单层GeSe气体传感特性的影响

采用第一性原理计算方法,通过在吸附了H₂, H₂O, CO, NH₃, NO, NO₂等气体分子的单层GeSe上施加–8%—8%的双轴向应变,从微观角度阐明应变对吸附体系电子性质的影响及其内在机理.计算结果表明,对于CO, NH₃和NO气体分子在–8%—8%,以及NO₂分子在–8%—6%的双轴向应变范围内,单层GeSe具备成为气体传感器的应用潜力.较大的压缩应变(–6%—–8%)有助于提高单层GeSe对CO和NO气体的响应速度和敏感性.     

缺陷对Pt在Graphene上吸附影响的研究

本文利用第一原理方法计算了空位缺陷和硼（B）掺杂时对Pt在graphene上吸附的影响.结果表明：Pt在graphene上吸附的稳定位置是Pt吸附在桥位；悬挂键的存在极大的增强了Pt在graphene空位处的吸附；B替位掺杂有利于Pt原子在杂质附近的吸附.     

缺陷对Pt在Graphene上吸附影响的研究

本文利用第一原理方法计算了空位缺陷和硼（B）掺杂时对Pt在graphene上吸附的影响.结果表明：Pt在graphene上吸附的稳定位置是Pt吸附在桥位;悬挂键的存在极大的增强了Pt在graphene空位处的吸附;B替位掺杂有利于Pt原子在杂质附近的吸附.     

硅烯双层纳米管自旋劈裂及半金属特性研究

在低维材料体系中寻找半金属,对实现纳米自旋电子器件具有重要的研究意义.基于第一性原理密度泛函理论计算方法,研究了AB堆栈的双层硅烯结构及其自旋极化的电子结构间的映射关系,发现其导带底和价带顶都具有负的变形势.基于此,我们预测硅烯双层在弯曲应力作用下,原本简并的空间自旋分布对称性打破,其自旋简并的电子态会出现自旋劈裂,因此双层硅烯纳米管会出现我们预期的半金属性.计算结果表明,AB堆栈结构的硅烯双层纳米管(55, 0)出现了半金属态,并且具有较好的磁稳定性.该结果对低维材料体系实现半金属性提供理论借鉴.     

The adsorption behaviours of Pt adatom on pristine and defective bilayer graphene

The structural stability and electronic property of metal Pt atom anchors on two typical substrates (including the pristine and defective bilayer graphene, PBG and DBG) are studied using the first-principles calculations. For the PBG sheets, the Pt atom at the bridge site of bottom layer has only one stable adsorption, which is more stable than other sites of the top layer. For the DBG sheets, the doped Pt below defective site has the larger adsorption energy than that of the upper one. Compared to the isolated graphene films, the Pt(111) substrate-supported graphene systems have effect on the adsorption energies of Pt adatom to some extent, but it does not affect the most preferable configurations. Moreover, the diffusion pathways and energy barriers of Pt adatom on PBG and DBG substrates are comparatively investigated. For the DBG sheets, the Pt dopant has smaller diffusion barrier on upper layer than that of the intercalation process through the defective site. Therefore, the Pt dopant prefers to diffuse on the top layer and then forms the metal impurity. This work provides valuable information on understanding the formation process and intercalation mechanism of metal adatom on graphene sheets.     

Strain and chirality effects on the mechanical and electronic properties of silicene and silicane under uniaxial tension

We present first principles theory calculations on the mechanical and electronic properties of silicene and silicane structure under uniaxial tensile strain along different directions. Chirality effect is more significant in the mechanical properties of silicene than those of silicane. Different failure mechanisms are identified. A small band gap (up to 0.8 eV) is developed from zero with silicene structure under uniaxial tension and vanishes before the structure reaches its in-plane ultimate strength. However, a pre-existing band gap (2.39 eV) exists with silicane structure and decreases to zero with the increasing tensile strain without chirality effects.     

First-principles study on the structural and electronic properties of ultrathin ZnO nanofilms

Using first-principles density-functional calculations, we have studied the structural and electronic properties of ultrathin ZnO {0001} nanofilms. The structural parameters, the charge densities, band structures and density of states have been investigated. The results show that there are remarkable charge transfers from Zn to O atoms in the ZnO nanofilms. All the ZnO nanofilms exhibit direct wide band gaps compared with bulk counterpart, and the gap decreases with increased thickness of the nanofilms. The decreased band gap is associated with the weaker ionic bonding within layers and the less localization of electrons in thicker films. A staircase-like density of states occurs at the bottom of conduction band, indicating the two-dimensional quantum effects in ZnO nanofilms.     

Strain rate effects on compressive behavior of covalently bonded CNT networks

In this study, strain rate effects on the compressive mechanical properties of randomly structured carbon nanotube (CNT) networks were examined. For this purpose, three-dimensional atomistic models of CNT networks with covalently-bonded junctions were generated. After that, molecular dynamics (MD) simulations of compressive loading were performed at five different strain rates to investigate the basic deformation characteristic mechanisms of CNT networks and determine the effect of strain rate on stress–strain curves. The simulation results showed that the strain rate of compressive loading increases, so that a higher resistance of specimens to deformation is observed. Furthermore, the local deformation characteristics of CNT segments, which are mainly driven by bending and buckling modes, and their prevalence are strongly affected by the deformation rate. It was also observed that CNT networks have superior features to metal foams such as metal matrix syntactic foams (MMSFs) and porous sintered fiber metals (PSFMs) in terms of energy absorbing capabilities.     

Ⅱ—Ⅵ族稀磁半导体ZnSe／Zn1—xMnxSe超晶格中的应力效应

本文通过Ⅱ－Ⅵ族稀磁半导体超晶格ＺｎＳｅ／Ｚｎ１－ｘＭｎｘＳｅ的光致发光谱的测量，对其应力效应进行了讨论。样品的组分ｘ＝０．２，０．３，０．４，测量温度为Ｔ＝１１￣３００Ｋ。结果表明：由于应力效应，ＺｎＳｅ／Ｚｎ１－ｘＭｎｘＳｅ超晶格中的激子能量随ｘ值增加而发生红移。在相同组分下，不同阱、垒宽度比使应力的分布产生明显变化，从而影响超晶格中激子能量。实验与理论计算结果相一致。超晶格中光致发光峰随温度     

密度泛函理论研究硫族元素取代对单层Ag2S结构和电子性质的影响

本文利用第一性原理计算讨论了硫族元素掺杂单层Ag₂S的缺陷形成能和电子性质.缺陷形成能反映了在富Ag条件下的掺杂更容易.计算得到的带隙、Mulliken布居和态密度展示出了其相应结构的电子性质.与纯单层的Ag₂S相比,Se/Te掺杂Ag₂S后的带隙显示出其电导率变化不大.基于Mulliken原子和键布居,研究了硫族元素掺杂后Ag₂S中的共价性.此外,通过讨论态密度,分析了能级的移动和电子的贡献.