Ti,Cr, Al和B合金化元素对α-Nb5Si3力学性能和电子结构的影响

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,通过比较形成能(E_form)、价电子浓度(VEC)、弹性常数(C_ij)、剪切模量(G)与体模量(B)的比值(G/B)以及派-纳力(τ_P-N)等参量的变化,研究了Ti、Cr、Al和B合金化对D8₁结构的α-Nb₅Si₃结构稳定性和力学性能的影响. 研究表明：合金化元素Ti、Cr、Al和B分别优先占据α-Nb₅Si₃中Nb^4c、Nb^4c、Si^4a和Si^8h位置;添加不同含量合金化元素的α-Nb₅Si₃仍保持稳定的D8₁结构;Ti、Al和B合金化使α-Nb₅Si₃的脆性增加,而随着Cr含量的增加,α-Nb₅Si₃的韧性逐渐增强. 此外,态密度(DOS)和Mulliken布居等电子结构的计算结果表明：Ti、Al和B合金化导致α-Nb₅Si₃脆性增加的主要原因是提高了共价键的强度;而Cr合金化的增韧作用主要来源于共价键数量的减少和强度的削弱,以及更多的反键态被占据.     

Ti,Cr,Al和B合金化元素对α-Nb_5Si_3力学性能和电子结构的影响

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,通过比较形成能(Eform)、价电子浓度(VEC)、弹性常数(Cij)、剪切模量(G)与体模量(B)的比值(G/B)以及派-纳力(τP-N)等参量的变化,研究了Ti、Cr、Al和B合金化对D81结构的α-Nb5Si3结构稳定性和力学性能的影响.研究表明:合金化元素Ti、Cr、Al和B分别优先占据α-Nb5Si3中Nb4c、Nb4c、Si4a和Si8h位置;添加不同含量合金化元素的α-Nb5Si3仍保持稳定的D81结构;Ti、Al和B合金化使α-Nb5Si3的脆性增加,而随着Cr含量的增加,α-Nb5Si3的韧性逐渐增强.此外,态密度(DOS)和Mulliken布居等电子结构的计算结果表明:Ti、Al和B合金化导致α-Nb5Si3脆性增加的主要原因是提高了共价键的强度;而Cr合金化的增韧作用主要来源于共价键数量的减少和强度的削弱,以及更多的反键态被占据.     

新金刚石电子结构的第一性原理研究

金刚石、 石墨和卡宾碳是三种常见的碳同素异构体, 其外层轨道价电子分别是以sp³-, sp²-和sp¹-形式杂化而成的^［1］. 1991年, Hirai等^［2］在研究金刚石的形成机理时, 发现了一种新的碳同素异构体, 并将其命名为新金刚石(new diamond) ^{［3, 4］}. 在许多实验过程中虽然也曾获得过新金刚石^［5~11］, 但是这些实验获得的新金刚石的样品产量都较少, 且新金刚石的颗粒尺寸都很小(小于100 nm), 因此只能采用电子衍射(ED)的方法研究其结构. Jarkov等^［9］在分析多晶体ED图谱的基础上, 认为新金刚石是面心立方结构(FCC), 其晶格常数为0.357 nm. 2001年, Konyashin等^［1］通过ED图谱、电子能量损失谱和半经验的能量计算认定新金刚石为FCC的纯碳, 其晶格常数为0.356 3 nm. 我们曾用强磁场碳黑催化法制备出大量的新金刚石^{［3,4,12~14］}, 并对新金刚石的热稳定性进行了研究^［12］, 而对其结构和性能的研究尚未见报道.     

KTa_(0.5)Nb_(0.5)O_3电子结构的第一性原理研究

用全电势线性缀加平面波法 (FLAPW )计算了KTa0 .5Nb0 .5O3 铁电相和顺电相的态密度、能带结构 .通过对两相态密度的对比分析我们发现在铁电相 ,钽原子的d电子和氧原子的 2p电子以及铌原子d电子与氧原子的 2p电子之间存在强烈的轨道杂化 ,对能带的分析也得出同样的结论 .这种轨道杂化对KTa0 .5Nb0 .5O3 铁电性的稳定有着重要的意义 .钽原子在四方铁电体KTa1 xNbxO3 中的作用与在纯钽酸钾中的作用有明显的差别 .     

In2O3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框架下的第一性原理平面波超软赝势方法, 计算了In2O3电子结构和光学线性响应函数, 系统研究了In2O3电子结构与光学性质的内在关系. 利用计算的能带结构和态密度分析了带间跃迁占主导地位的In2O3材料的能量损失函数、介电函数、反射图谱, 根据电荷密度差分图分析了In2O3材料的化学和电学特性. 研究结果表明In2O3光学透过率在可见光范围内高达85%, 可作为优异的透明导电薄膜材料. 同时, 计算结果为我们制备基于In2O3透明导电材料的设计与大规模应用提供了理论依据, 也为监测和控制这一类透明导电材料的生长过程提供了可能性.     

Lu掺杂AlN的电子结构和光学性质的第一性原理研究

为了探索 AlN在光电器件中的潜在应用,采用第一性原理计算了不同 Lu掺杂浓度(以原子分数 x表示)的 AlN(Al_1-xLu_xN)的电子结构和光学性质。研究结果表明,Al_1-xLu_xN的超胞体积随着Lu掺杂浓度的增加而增加,而带隙则相反。Al_1-xLu_xN的静态介电常数在低能区随掺杂浓度的提高而提高,随后逐渐趋向一致。随着Lu掺杂浓度的增加,反射率和吸收系数的峰值强度降低,峰值向较低能量方向移动。Al_1-xLu_xN的能量损失光谱表现出明显的等离子体振荡特性,且峰值低于本征AlN。Al_1-xLu_xN的光电导率在低能区随能量的增加而急剧增加。     

Lu掺杂AlN的电子结构和光学性质的第一性原理研究

为了探索AlN在光电器件中的潜在应用,采用第一性原理计算了不同Lu掺杂浓度(以原子分数x表示)的AlN(Al_1-xLu_xN)的电子结构和光学性质。研究结果表明,Al_1-xLu_xN的超胞体积随着Lu掺杂浓度的增加而增加,而带隙则相反。Al_1-xLu_xN的静态介电常数在低能区随掺杂浓度的提高而提高,随后逐渐趋向一致。随着Lu掺杂浓度的增加,反射率和吸收系数的峰值强度降低,峰值向较低能量方向移动。Al_1-xLu_xN的能量损失光谱表现出明显的等离子体振荡特性,且峰值低于本征AlN。Al_1-xLu_xN的光电导率在低能区随能量的增加而急剧增加。     

In2O3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框架下的第一性原理平面波超软赝势方法, 计算了In2O3电子结构和光学线性响应函数, 系统研究了In2O3电子结构与光学性质的内在关系. 利用计算的能带结构和态密度分析了带间跃迁占主导地位的In2O3材料的能量损失函数、介电函数、反射图谱, 根据电荷密度差分图分析了In2O3材料的化学和电学特性. 研究结果表明In2O3光学透过率在可见光范围内高达85%, 可作为优异的透明导电薄膜材料. 同时, 计算结果为我们制备基于In2O3透明导电材料的设计与大规模应用提供了理论依据, 也为监测和控制这一类透明导电材料的生长过程提供了可能性.     

Y-Cu共掺杂ZnO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(DFT)的第一性原理平面波赝势法研究了本征ZnO、Y和Cu单掺杂ZnO、Y-Cu共掺杂ZnO的电子结构和光学性质. 计算结果表明, 在本文的掺杂浓度下, Y和Cu单掺杂可以提高ZnO的载流子浓度, 从而改善ZnO的导电性, Y-Cu共掺时ZnO半导体进入简并状态, 呈现金属性. Y 掺杂ZnO可以提高体系在紫外区域的吸收, 而Cu掺杂ZnO在可见光和近紫外区域发生吸收增强现象, 其中由于Y离子和Cu离子之间的协同效应, Y-Cu共掺杂ZnO时体系对可见光和近紫外区域的光子能量吸收大幅增加, 因此Y-Cu共掺杂ZnO可以用于制作光电感应器件.     

采用第一性原理研究非金属掺杂BiOCl的电子结构和光吸收性质

基于密度泛函理论的第一性原理分别研究了不同浓度Br和I掺杂BiOCl体系的能带结构、态密度、形成能和光学性质.研究结果表明,由于Br的4p和I的5p轨道作用,Br和I掺杂可在一定程度上降低BiOCl的禁带宽度,拓宽BiOCl的光吸收范围.Br和I掺杂BiOCl的形成能计算结果表明,Br掺杂BiOCl的稳定性高于I掺杂体系.对于B,C,N,Si,P和S掺杂BiOCl体系,掺杂能级的形成主要由掺杂元素的np轨道贡献,使BiOCl吸收带边红移至可见光区.而S掺杂则位于价带顶位置,有效地降低了BiOCl禁带宽度,使BiOCl响应波长出现红移,且未形成中间能级,不易成为俘获陷阱,因此S掺杂将是一种提高BiOCl可见光光催化活性的改性方法.     

La(NO3)3·bipy·2H2O·(B-15-C-5)电子结构和电化学键

稀土硝酸盐与双啮杂环胺配体α,α′联吡啶(bipy)的配合物研究不多.Hart 等合成了Ln(NO_3)_3(bipy)_2配合物;亦已解析了3个晶体结构:La(NO_3)_3(bipy)_2,Tb(NO_3)_3(bipy)_2,La(NO_3)3·bipy·2H_2O·(B-15-C-5)(B-15-C-5=苯并15-冠-5,).我们对La(NO_3)_3(bipy)_2的电子结构和化学键作过研究.本文利用自旋非限制适于稀土配合物计算的INDO方法研究了La(NO_3)_3·bipy·     

In、Sc掺杂对SrTiO_3电子结构和光学性质的影响(英文)

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势计算方法,研究了In、Sc p型掺杂对SrTiO_3母体化合物稳定性、电子结构和光学性质的影响.计算结果表明:掺杂后,SrIn_(0.125)Ti_(0.875)O_3和SrSc_(0.125)Ti_(0.875)O_3的稳定性降低,体系显示p型简并半导体特征,掺杂仅引起杂质原子近邻区域的几何结构发生变化.同时,SrIn_(0.125)Ti_(0.875)O_3和SrSc_(0.125)Ti_(0.875)O_3体系的光学带隙分别展寬0.35、0.30 eV,光学吸收边发生蓝移,在1.25.2.00 eV的能量区间出现新的吸收峰,该吸收峰与体系Drude型自由载流子的激发相关.此外,SrIn_(0.125)Ti_(0.875)O_3和SrSc_(0.125)Ti_(0.875)O_3体系的可见光透过率有了明显的提高,在350-625 nm波长范围透过率高于85%.掺杂原子在费米能级处低的电子态密度限制了跃迁概率和光吸收.大的禁带宽度、小的跃迁概率和弱的光吸收是SrIn_(0.125)Ti_(0.875)O_3和SrSc_(0.125)Ti_(0.875)O_3体系具有较高光学透明度的原因.     

In、Sc掺杂对SrTiO3电子结构和光学性质的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势计算方法, 研究了In、Sc p型掺杂对SrTiO3母体化合物稳定性、电子结构和光学性质的影响. 计算结果表明:掺杂后, SrIn0.125Ti0.875O3和SrSc0.125Ti0.875O3的稳定性降低, 体系显示p型简并半导体特征, 掺杂仅引起杂质原子近邻区域的几何结构发生变化. 同时, SrIn0.125Ti0.875O3和SrSc0.125Ti0.875O3体系的光学带隙分别展宽0.35、0.30 eV, 光学吸收边发生蓝移, 在1.25-2.00 eV的能量区间出现新的吸收峰, 该吸收峰与体系Drude型自由载流子的激发相关. 此外, SrIn0.125Ti0.875O3和SrSc0.125Ti0.875O3体系的可见光透过率有了明显的提高, 在350-625 nm波长范围透过率高于85%. 掺杂原子在费米能级处低的电子态密度限制了跃迁概率和光吸收. 大的禁带宽度、小的跃迁概率和弱的光吸收是SrIn0.125Ti0.875O3和SrSc0.125Ti0.875O3体系具有较高光学透明度的原因.     

First-principles Study on the Electronic Structure of Novel Titanium Yttrium Mixed-metal Nitride Clusterfullerene

We present a first-principles study on the geometric, vibrational and electronic properties of a novel Y-based non-scandium mixed-metal nitride clusterfullerene (TiY₂N@C₈₀). Theoretical results indicate that the fundamental electronic properties of TiY₂N@C₈₀ are similar to that of TiSc₂N@C₈₀, but dramatically different from that of Sc₃N@C₈₀ and Y₃N@C₈₀ molecules. We find that the magnetism of TiY₂N@C₈₀ is quenched by carrier doping. The rotation energy barrier of the TiY₂N cluster in C₈₀ cage was obviously increased by exohedral chemical modification with pyrrolidine monoadduct.     

一种超硬新材料BeP2N4的电子结构和力学性质及本征硬度

基于密度泛函理论,采用局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)泛函研究了硅铍石、尖晶石结构的 BeP₂N₄ 材料的晶格参数、能带结构、态密度、分态密度、Mulliken布居值和弹性性质, 计算结果与已有的实验值和理论值符合很好. 能带结构和态密度表明两种结构的BeP₂N₄材料是宽的直接带隙的绝缘体材料. 尖晶石结构BeP₂N₄的体弹性模量、剪切模量和弹性模量比硅铍石结构的相应的力学量大得多. 利用Sung等提出的硬度经验判据和Gao等提出的基于Mulliken轨道重叠布居数的共价固体本征硬度计算方法, 预测了两种结构的本征硬度值. 计算结果表明硅铍石结构BeP₂N₄虽然体弹模量小, 但是它并不是一种软的材料, 而是一种易脆的硬度较硬的材料, 随着压力增加硅铍石结构BeP₂N₄的脆性逐渐过渡到延性. 尖晶石结构BeP₂N₄是一种易脆的超硬材料. 采用GGA计算得到的硅铍石BeP₂N₄向尖晶石相转变压力为14 GPa, 与理论预测值(24 GPa)相比偏小.     

应变调控单层氧化锌能带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对单层ZnO薄膜能带结构的应变调控进行了研究.计算结果表明:沿着之字形方向的压缩应变和扶椅形方向的拉伸应变对薄膜带隙的调控都是线性的,而且带隙调控的范围最大;相反地,在沿着之字形方向的拉伸应变和扶椅形方向的压缩应变的调控下,带隙则呈现出非线性的变化.对于双轴应变的拉伸与压缩,带隙的变化都是非线性的.这种通过不同的应变加载方式来实现对带隙不同程度的调控,对ZnO薄膜在光学和催化等领域的应用具有重要的指导意义.     

First-Principles Study on Electronic and Optical Properties of Graphene-Like Boron Phosphide Sheets

Two-dimensional semiconducting materials with moderate band gap and high carrier mobil-ity have a wide range of applications for electronics and optoelectronics in nanoscale. On the basis of first-principles calculations, we perform a comprehensive study on the electronics and optical properties of graphene-like boron phosphide (BP) sheets. The global structure search and first-principles based molecular dynamic simulation indicate that two-dimensional BP sheet has a graphene-like global minimum structure with high stability. BP monolayer is semiconductor with a direct band gap of 1.37 eV, which reduces with the number of layers. Moreover, the band gaps of BP sheets are insensitive to the applied uniaxial strain.= The calculated mobility of electrons in BP monolayer is as high as 10⁶ cm²/(V·s). Lastly, the MoS₂/BP van der Waals heterobilayers are investigated for photovoltaic applications, and their power conversion efficiencies are estimated to be in the range of 17.7%－19.7%. This study implies the potential applications of graphene-like BP sheets for electronic and optoelectronic devices in nanoscale.     

扶手椅型二硫化钼纳米带的电子结构与边缘修饰

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 研究了扶手椅型二硫化钼纳米带的几何构型与电子结构, 发现其稳定性与电子性质敏感地依赖于边缘修饰. 随着边缘修饰的H原子数增加, 纳米带变得更加稳定, 并在间接带隙半导体、半金属和直接带隙半导体之间转变. 纳米带的能带结构和电子态密度显示, 其费米能级附近的能带主要由边缘态贡献. 当二硫化钼纳米带两边用不同数目的H原子修饰时, 纳米带同时具有由这两种修饰引起的边缘态并且两种边缘态的相互影响很小. 研究了三类纳米带带隙与宽度的关系, 对于每个原胞修饰0个或8个H原子的纳米带, 带隙随宽度以3为周期振荡变化; 而对于每个原胞修饰4个H原子的纳米带, 带隙振荡不再具有周期并且振荡幅度变小.