扶椅型碳纳米管介电常数和光谱密度泛函研究

为研究扶椅型单壁碳纳米管的介电常数和光谱吸收性质,建立了扶椅型碳纳米管的结构模型,用平面波赝势方法,采用广义梯度近似的密度泛函理论,对扶椅型碳纳米管(5,5)(7,7)(9,9)垂直与平行方向介电常数的虚部以及光谱吸收性质进行了理论计算,计算结果表明:扶椅型碳纳米管为各项异性介质,其光吸收具有偏振性。在合理安排碳纳米管和入射光的角度时,碳纳米管将成为一种理想的可见光吸收材料。     

失配层结构Bi-Ca-Co-O体系的量子化学计算

采用密度泛函离散变分方法计算了[Bi1.68Ca2O4] RS[CoO2]1.69的电子结构以及化学键,讨论了它们与热电性能之间的关系.从计算结果可以看出,Bi钴酸盐的电子结构有明显的半导体特征,在费米能级附近,Co 3d、Bi 6p和O 2p轨道在费米能级附近做主要贡献.在CoO2层中,Co 3d和O2p在费米能级到-4.5 eV的范围内存在极强的杂化作用,而Bi-O/Bi-O层间的价键关系极弱.从原子净电荷及化学键级的计算结果看,Bi钴酸盐材料有明显的各向异性特征,而且在CoO2层与中间层的层间仅存在Ca与O之间的弱结合.这些都将对体系的热电性能产生影响.     

Ti3SnC2电子结构的第一性原理研究

采用密度泛函数理论框架下的第一性原理研究了Ti3SnC2的电子结构,利用GGA-PW91基组对Ti3SnC2晶体结构进行了优化,并计算了Ti3SnC2的能带结构、总态密度和各原子的分态密度.对能带和总态密度的计算结果表明,Ti3SnC2在费米能级处电子态密度较高,材料表现出较强的金属性,同时材料的导电性为各向异性.Ti3SnC2各原子的分态密度图的计算结果表明,其导电性主要由Ti2的3d电子决定,Ti1的3d态电子、Sn的5p态电子和C的2p态电子也有少量贡献.决定材料电学性质的主要是Ti的3d、Sn的5p和C的2p态电子的p-d电子轨道杂化,而p-d电子轨道杂化成键则使材料具有比较稳定的结构.     

掺P锐钛矿相TiO2第一性原理计算

采用广义梯度近似处理的全电势线性缀加平面波法计算了掺P锐钛矿相TiO2的电子密度、能带结构和态密度.计算结果表明,P掺杂使锐钛矿相TiO2在费米能级附近出现3条杂质能带,使能带宽度减小,从而有效地提高了TiO2的可见光响应.     

Al和S共掺杂金红石型TiO2第一性原理研究

利用密度泛函理论体系下的第一性原理平面波超软赝势法,研究Al单掺杂和S单掺杂以及Al/S共掺杂金红石相TiO_2的能带结构、态密度和光学性质。结果表明:Al单掺杂导致禁带宽度减小为1.79eV,并且在价带上方形成了一条杂质能带;S单掺杂导致费米能级上移靠近导带,直接带隙减小为0.816eV;Al/S共掺杂导致能带结构中出现了3条杂质能带,直接带隙约0.841eV,杂质能级主要由Al原子的3p轨道和S原子的3p轨道组成。Al/S共掺杂后使TiO_2的吸收带产生红移,在可见光区具有较大的吸收系数,能够增强电子传输能力和抑制电子空穴对复合。     

钛掺杂碳纳米管场发射性能第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理,研究了(5,5)型封闭碳纳米管(CNT)帽端掺杂钛原子对其场发射性能的影响。结果表明:钛原子掺杂CNT体系的几何结构更加稳定;施加电场后,掺杂CNT的态密度在费米能级处明显增加,赝能隙显著减小,电子的活跃度明显提高;钛原子掺杂不仅引起了CNT最低未占有轨道与最高占有轨道的能量差值和有效功函数的减小,而且使电子向掺杂CNT帽端聚集。说明钛原子掺杂可以显著提高CNT的场发射性能。     

氧等离子体对碳纳米管改性的分子模拟研究

采用密度泛函理论研究了氧等离子体改性前后的(8,0)碳纳米管的性能,比较了改性前后结合能、能带结构及态密度之间的差异,结果表明改性后碳管的结合能变小,其表面的分散性提高,从而可以稳定存在。另外,尽管碳管的能隙Eg非常小,但其价带顶和导带底均未穿过费米能级,验证了(8,0)碳纳米管是半导体管的理论。改性后碳纳米管的几何结构受到羟基和羧基的影响很大,横截面C-C间距增大,比表面积增加;同时,羟基和羧基使得费米能Ef以及费米能级上的态密度明显增大,而且羧基的作用更显著,这表明氧等离子体增强了碳纳米管的化学活性,是一种有效的改性方法。     

Bi2Te3与SnBi2Te4的电子结构与热电性能研究

用离散变分密度泛函分子轨道方法(DFT-DVM)和线性扩展平面波能带方法(LAPW)计算了Bi2Te3与SnBi2Te4,讨论了电子结构与热电性能之间的关系.Te(Ⅱ)-Bi离子键强度和Te(Ⅰ)-Bi差别不大,而Te(Ⅱ)-Bi共价键比Te(Ⅰ)-Bi强.Te(Ⅰ)-Te(Ⅰ)原子层之间的主要相互作用是范得华力而最弱.Bi2Te3掺Sn后Te-Bi离子键增强而共价键减弱,且费米能级处带隙变小.Sn主要影响导带结构.     

ZnO氧化物的电子结构与热学性能的研究

采用密度泛函理论基础上的平面波超软赝势第一性原理计算的方法研究了纤锌矿结构热电氧化物ZnO的电子结构和热学性能。电子结构计算结果表明,纤锌矿结构的ZnO存在着约1.0eV的直接带隙,价带中的载流子有效质量较大,导带中的载流子有效质量较小;靠近价带顶的能带中的电子主要为p态电子,靠近导带底的能带中的电子主要为p,d态电子。体系分态密度计算结果表明,费米能级附近的能带主要由Znp,Znd和Op态电子构成,且Znp和Op态电子之间存在着很强的杂化作用。声子态密度及分布计算结果表明,体系晶格振动频率主要集中在3～10THz和10～12THz范围之内,其中振动频率约为11THz的振动模式在体系中数量较多,主要为光学波声子。热电性能理论分析结果表明,ZnO基热电氧化物应该具有较高的Seebeck系数和热电性能。     

N,Cr共掺锐钛矿TiO_2电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用第一性原理的平面波赝势方法研究了N、Cr单一掺杂及共掺杂锐钛矿TiO_2的能带结构、态密度和光学性质。结果表明,N单一掺杂体系中N2p杂质轨道交叠在费米能级上;Cr单一掺杂体系中杂质能级主要由O2p和Cr3d轨道杂化贡献;N、Cr共掺杂致使导带及价带相对费米能级明显下降,同时在原禁带基础上形成了新的杂质能级、禁带宽度减小,锐钛矿TiO_2的光吸收带红移,其吸收系数增大、能量损失缩小,有效增强了锐钛矿TiO_2的光催化效率。     

基于第一性原理的尖晶石锰酸锂电池掺杂研究

采用基于泛函理论的第一性原理,应用超软赝势平面波法对LiMn2O4以及Ni 2+掺杂的LiMn2O4的能带结构、态密度进行研究。理论计算表明:LiMn2O4是导体材料,Mn位掺杂Ni 2+可以减小LiMn2O4的能带间隙,缩短Mn-O键长,降低Li-O键能,提高LiMn2O4的电子电导率以及锂离子的扩散速率。电子态密度分析发现:由于Ni-3d轨道的诱导作用,出现了新的O-2p轨道,Li脱出时获得的电子主要是由费米能级附近O-2p能带提供,因此掺杂Ni 2+能提高LiMn2O4的导电性能。相关实验结果表明,掺杂Ni 2+的LiMn2O4具有优良的电化学性能,与理论计算结果非常符合。     

碳硅烯狄拉克锥成因获解开发纳米电子器件材料有更多选择

<正>二维单原子碳层-石墨烯(Graphene)具有奇特的电子结构特征,其能带在费米能级处呈现上下对顶的圆锥形,形成所谓的狄拉克锥(Dirac Cone)。近日,上海大学理学院物理系刘轶教授及其科研团队通过理论计算首次发现,两种新型结构的碳硅烯也具有狄拉克锥特征的电子结构,这为研发和设计新型纳米电子器件材料提供了理论基础。该研究成果发表在物理化学领域著名学术期刊     

W-N共掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法对W-N共掺杂锐钛矿相TiO2的能带结构、电子态密度及吸收光谱进行计算。结果表明,W-N共掺杂未改变锐钛矿相TiO2的禁带宽度,仅在TiO2价带顶附近引入N的2p杂质能级,并且掺杂系统的费米能级处于导带之内;W的5d轨道主要对TiO2的价带底下边沿和导带有贡献,N的2p轨道主要对TiO2的价带顶上边沿和禁带内的孤立能级有贡献;W-N共掺杂增强了锐钛矿相TiO2在340~800 nm波长范围内的光吸收能力。     

超导薄膜FeSe和FeS_(0.5)Se_(0.5)的磁性与电子特性的研究

作为磁性超导体系的重要组成部分,新型铁基超导薄膜FeSe已经成为凝聚态物理研究的热点。本工作基于密度泛函理论的第一性原理,研究了FeSe以及S原子替位掺杂FeS_(0.5)Se_(0.5)超导薄膜的磁性结构、磁矩、能带和电子特性。研究发现,FeSe和FeS_(0.5)Se_(0.5)的基态结构均为条形反铁磁性,且在布里渊区中心Γ点和边界M点的费米面上都分别出现了3个空穴型能带和2个电子型能带,两者的费米能级都主要由Fe-3d电子以及As-4p(S-3p)电子构成,并且费米面处的Fe-3d电子态密度几乎与总能态密度相等,说明体系的超导电性主要来源于平面层内的Fe离子。然而,与纯的FeSe相比,FeS_(0.5)Se_(0.5)薄膜费米面上电子-空穴口袋的嵌套减弱,Fe离子磁矩减小,体系的反铁磁性减弱,表明S离子的掺杂有利于增强体系的超导电性。     

超薄铋薄膜的量子尺寸效应

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了2～16层Bi(111)薄膜的表面能和功函数,它们展现出量子尺寸效应引起的奇偶振荡.解释这种振荡需要考虑表面投影能带结构,振荡周期与量子阱态在二维布里渊区中高对称点费米能级处的穿越有关,量子阱态穿越费米能级亦引起态密度在费米能级处振荡,预示传导性质的振荡转变.     

B/N/Si掺杂的(9,0)型碳纳米管电子结构第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)的DMol3软件包,研究了(9,0)型碳纳米管(CNT)顶端掺杂B/N/Si等元素对其几何结构及电子结构的影响.结果表明,掺杂原子对非掺杂区几何结构影响微弱;加电场后,各种掺杂CNT顶端局域态密度(LDOS)峰位向价带移动;B/N/Si掺杂不仅引起CNT费米能级(Ef)处LDOS增大,而且最低空轨道与最高占有轨道的差值(LUMO-HOMO)降低.由此可预期CNT顶端掺B/N/Si均有利于场致电子发射,且改善幅度依次增强.     

双掺杂碳纳米管电子场发射性能的密度泛函研究

采用第一性原理的密度泛函理论(DFT)研究了(5,5)碳纳米管(CNT)顶端硼(B)、氮(N)、硅(Si)等元素双掺杂体系的电子场发射性能.结果表明,在外电场下,各种双掺杂CNT帽端态密度(DOS)向价带移动.电子轨道分布变化显著,电荷分布明显局城化.根据电子态密度、差分电荷密度、最高分子占据轨道(HOMO)/最低分子非占据轨道(LUMO)分布等计算结果可预期Si双掺杂后更有利于场致电子发射.     

多相ZrO2几何结构及电子结构第一性原理研究

采用基于第一性原理的密度泛函理论投影缀加平面波,使用广义梯度近似处理交换关联势能,深入研究了弛豫多相 ZrO2几何结构特征及电子结构。研究发现,单斜、四方和立方 ZrO2能带间隙分别约为3.47 eV、3.96 eV 和3.36 eV。近费米能级态密度分析结果表明,多相 ZrO2的基本性质均由 O 2p 态电子和 Zr 4d 态电子决定。     

Zn1-xMgxO能带结构及作为窗口层的CdTe薄膜太阳电池的SCAPS仿真应用

采用第一性原理广义梯度近似+U(GGA+U)方法计算了纤锌矿结构Zn_1-xMg_xO(ZMO)(0≤x≤0.25)合金的能带结构。计算表明: 随着Mg组分增加, ZMO化合物的导带底及费米能级均向真空能级方向移动, 带隙增宽。基于理论计算得到ZMO的能带结构参数, 使用SCAPS软件对ZMO作窗口层的CdTe薄膜太阳电池的性能进行了仿真模拟, 并将研究结果与CdS作窗口层的CdTe太阳电池的性能进行了比较。结果表明: Mg在ZMO中的含量0≤x≤0.125时, ZMO/CdTe太阳电池具有比CdS/CdTe太阳电池更高的开路电压和短路电流密度; ZMO的导带底高出CdTe导带底约0.13 eV时, CdTe薄膜太阳电池的转换效率最高, 达到18.29%。这些结果为高效率碲化镉薄膜太阳电池的结构设计和器件制备提供了理论指导。     

双轴应变对二维Ⅳ-Ⅵ硫族化合物电子特性的影响

利用密度泛函理论(density function theory,DFT)模拟计算了二维Ⅳ-Ⅵ硫族化合物(MXs:SnS、SnSe、SnTe、GeS、GeSe和GeTe)的本征结构和电子特性,重点研究了双轴应变对MXs的能带结构特点、带隙大小和费米能级的影响.发现应变对单层MX s的色散关系影响不大,但是对带隙大小的影...