基于第一性原理的锂空气电池Si掺杂MoS2正极催化氧还原反应机理研究

研究碱性条件下Si掺杂单层MoS2表面的氧还原反应(ORR)机理,为设计高效的双电解液锂空气电池催化剂提供理论指导.通过第一性原理计算,分析n(n=1～3)个Si原子掺杂单层MoS2表面的ORR性能.结果表明,Si掺杂单层MoS2表面有很好的稳定性,掺杂后会在禁带中引入杂质态,使其表面活性增强.与原始单层MoS2相比,Si掺杂极大增强了MoS2对O2的还原能力.在单Si原子及双Si原子掺杂的表面,H2 O分子的最大解离能垒(0.85 eV、0.78 eV)表明氧还原反应可在室温下进行.在三Si原子掺杂的表面,反应自发进行而无需任何的能垒.但单Si原子掺杂对OH基团有很强的吸附能力,不利于ORR的持续进行.而随着掺杂原子数量的增加,三Si原子掺杂的表面对OH基团的吸附能会极大降低.研究表明三Si原子掺杂的MoS2会是一种新型的ORR催化剂.     

Mn掺杂单空位缺陷碳纳米管吸附NH_3分子的第一性原理研究

研究本征碳纳米管、单空位缺陷碳纳米管、Mn掺杂碳纳米管和Mn掺杂单空位缺陷碳纳米管对NH_3分子的吸附效果。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,对各个模型的吸附能、吸附距离、电荷转移量、电子密度等的分析后发现:单空位缺陷有利于提高碳纳米管对NH_3分子的吸附效果,但碳纳米管未能与NH_3分子形成化学吸附;掺杂Mn原子能大大提高单空位缺陷碳纳米管与NH_3间的吸附能和电荷转移量,同时减小其吸附距离,说明Mn原子掺杂的单空位缺陷碳纳米管能够对NH3分子产生化学吸附。Mn原子掺杂单空位缺陷碳纳米管作为NH_3气敏材料值得后续深入研究。     

Mn掺杂单空位缺陷碳纳米管吸附NH3分子的第一性原理研究北大核心CSCD

研究本征碳纳米管、单空位缺陷碳纳米管、Mn掺杂碳纳米管和Mn掺杂单空位缺陷碳纳米管对NH3分子的吸附效果。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,对各个模型的吸附能、吸附距离、电荷转移量、电子密度等的分析后发现:单空位缺陷有利于提高碳纳米管对NH3分子的吸附效果,但碳纳米管未能与NH3分子形成化学吸附;掺杂Mn原子能大大提高单空位缺陷碳纳米管与NH3间的吸附能和电荷转移量,同时减小其吸附距离,说明Mn原子掺杂的单空位缺陷碳纳米管能够对NH3分子产生化学吸附。Mn原子掺杂单空位缺陷碳纳米管作为NH3气敏材料值得后续深入研究。     

Li在石墨烯、BC_3及C_3N表面吸附与迁移的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了Li在本征石墨烯及BC3、C3N表面的吸附和迁移行为。与本征石墨烯相比,硼掺杂浓度为25%(原子分数)时提高了Li的吸附能,而氮掺杂浓度为25%(原子分数)时减弱了Li的吸附能,这归因于掺杂物种具有不同的电子结构。通过NEB方法计算了Li在本征石墨烯、BC3、C3N表面的迁移,结果表明,相比于本征石墨烯,硼掺杂浓度为25%(原子分数)的石墨烯减弱了Li的扩散,而氮掺杂浓度为25%(原子分数)的石墨烯促进了Li的扩散。     

双层石墨烯掺杂Pd对CO和NO的气敏特性研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了AA堆叠型双层石墨烯掺杂Pd原子(Pd/BG)后对气体分子CO和NO的气敏特性和吸附机理.结果表明,Pd原子的掺杂改变了双层石墨烯的电子性质和局部几何结构.Pd原子替代双层石墨烯的一个碳原子后,杂质原子突出层外区域(Po)和突入层间区域(Pi)都可以形成稳定结构,但是突出(Po)构型更有利于气体分子的吸附.对于Po构型,CO和NO吸附在Pd/BG上的最稳定结构是不同的,CO分子与石墨烯表面呈一定夹角,而NO分子近似垂直于石墨烯表面.Pd/BG对NO分子的吸附强于CO分子.气体分子在Po构型上属于化学吸附,而在Pi构型上属于物理吸附.Pd/BG吸附CO和NO气体分子后具有不同的电子性质.Pd/BG体系为半导体性质,在吸附CO气体分子后,转变为金属性,系统无磁性;而在吸附NO气体分子后变为金属性且具有较大磁矩.这种电子性质的变化能够阐明气体分子吸附的敏感程度.研究结果能够为石墨烯基的气体传感器或者探测器提供理论基础和实验指导.     

氧和硒掺杂对单层二硫化钼电子结构与光电性质的影响

基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了氧和硒掺杂对单层二硫化钼电子结构与光电性质的影响.结果表明,单层二硫化钼属于直接带隙半导体,其带隙宽度为1.64 eV.单层二硫化钼的价带顶主要由S-3p态电子和Mo-4d态电子构成,而其导带底则主要由Mo-4d态电子和S-3p态电子共同决定;同时通过氧和硒掺杂,使单层二硫化钼的禁带宽度变窄,光吸收特性增强,研究结果为二硫化钼在光电器件方面的应用提供了理论基础.     

Cu掺杂SnO2(110)面对CO气敏机理的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了有毒气体CO在本征和Cu掺杂SnO_2(110)面不同原子位的吸附,通过对吸附能的比较得出了最佳吸附位置及吸附结构。计算结果表明,本征SnO_2(110)面对CO的吸附很弱。而对于Cu掺杂SnO_2的(110)面,掺杂浓度选2.7%和5.4%两组,分别用Sn_(15)CuO_(24)和Sn_(14)Cu_2O_(24)表示。通过比较本征和不同Cu掺杂浓度下SnO_2(110)面上CO的吸附能和电荷布居,发现Cu掺杂可显著提高CO的吸附性能,其中Cu掺杂浓度为5.4%的Sn_(14)Cu_2O_(24)表面的吸附活性位点增加,吸附效果最好。     

Fe掺杂空位缺陷碳纳米管吸附SO_2分子:第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理研究了本征碳纳米管、空位缺陷碳纳米管和Fe掺杂空位缺陷碳纳米管对SO_2分子的吸附性能。对几何结构、吸附能、电荷转移及电荷密度的分析结果显示,空位缺陷碳纳米管对SO_2分子的吸附作用稍强于本征碳纳米管,但与SO_2分子仍未形成化学吸附;掺杂Fe原子后,空位缺陷碳纳米管与SO_2分子间的吸附距离变小,吸附能和电荷转移量增加,二者间形成化学吸附,且碳纳米管对SO_2分子S原子端的吸附效果优于O原子端。能带和态密度分析发现,掺杂Fe原子提高了碳纳米管的费米能级,使带隙变窄,电导率增大;Fe原子与SO_2分子的态密度在费米能级处有明显的提升且二者发生强烈耦合,增强了碳纳米管与SO_2分子间的吸附作用。     

基于第一性原理的Fe掺杂锐钛矿型TiO2(001)表面光催化性研究

基于密度泛函理论的第一性原理对不同掺杂方式和不同含Fe量的Fe/TiO_2(001)禁带宽度及C6H6分子在其表面不同位置的吸附能进行了研究。Fe原子掺杂纳米TiO_2的能带结构和态密度计算表明,表面间隙掺杂比替位掺杂更利于减小TiO_2的禁带宽度,且当掺杂浓度为6.122%时,相比纯TiO_2的禁带宽度减小幅度最大可达59.3%。通过吸附能的比较得出了苯分子在TiO_2(001)表面以水平吸附为主,在研究浓度范围内,随Fe原子掺杂浓度的增加,吸附能并不像带隙一样呈减小的趋势,而是当Fe原子掺杂浓度为4.167%时,吸附能的涨幅最大为63.2%。     

空位和Si掺杂对In在石墨烯上吸附的影响

利用第一性原理方法计算了空位和Si(硅)替位掺杂对In(钢)原子在石墨烯上吸附的影响.结果表明:在低覆盖度下,空位比Si替位掺杂更能增强In在石墨烯上的吸附,主要原因在于空位引入更多的悬挂键,加强了In和石墨烯之间相互作用.而对于较高覆盖度,Si替位掺杂却比空位对In吸附在石墨烯上的影响更强.无论是较高覆盖度还是低覆盖度,空位和Si替位掺杂均增强了In在石墨烯上的吸附.     

Li吸附对石墨烯、BC_3、C_3N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在未掺杂和B(N)掺杂浓度为25%(原子分数)的石墨烯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B(N)掺杂石墨烯吸附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25%(原子分数)时可显著提高石墨烯的Li吸附能,N掺杂浓度为25%(原子分数)时减弱了石墨烯的Li吸附能。吸附Li后的石墨烯、BC3和C3N体系均显示出金属性。     

Ge/Si超导型和Ge_xSi_(1-x)/Si合金型超晶格的分子束外延生长和特性研究

用分子束外延(MBE)技术生长了Ge/Si超薄型超晶格和Ge_xSi_(1-x)/Si合金型超晶格。用RHEED强度振荡技术生长出了非常陡峭和平整的Si/Ge异质结界面。在Si(001)上生长的一个单原子层Ge和一个单原子层Si的多层结构是可以得到的最薄的超晶格。合金型超晶格的厚度可满足器件制造的要求并避免了失配位错的产生。用XTEM、RBS及X射线衍射对外延晶体质量作了签定,用Raman谱和电调制反射谱对超晶格的光学特性进行了研究。     

Si(111)表面早期氧化与Si-O成键过程

用光电子谱(XPS与UPS)和俄歇直读谱峰形分析研究了Si(111)早期氧化和Si-O成键过程。说明氧吸附早期存在“过氧基分子”和氧原子在Si原子上顶位吸附两种状态。随着氧暴置量增加,过氧基分子逐渐消失,而第二层硅原子的背键位置被氧原子占有,同时存在氧原子顶位吸附。氧化层大概有3～4个原子层(约4～5A),存在类SiO_2和类SiO_4的结构,Si3p-O2p和Si3s-O2p键对氧化层俄歇峰形贡献最大。硅氧化过程似乎首先Si3p-O2p成键,随后Si3s-O2p逐步成为次强化学键。     

石墨烯吸附甲醛的第一性原理研究

采用第一性原理研究了甲醛分子吸附于本征石墨烯、缺陷石墨烯和掺杂石墨烯的体系.通过计算石墨烯掺杂前后对甲醛气体的吸附能、电荷转移及能带和态密度,发现掺杂Pt后甲醛分子吸附能和电荷转移显著增大,这是由于Pt的掺杂在本征石墨烯能带中引入了杂质能级,增强了石墨烯和甲醛分子间的相互作用,可以提高石墨烯对甲醛气体的气敏响应速度和吸附能力.     

采用第一性原理方法研究Nb-Si-N表面单原子绕岛吸附与迁移

针对Nb-Si-N纳米复合薄膜在沉积过程中Nb、Si、N单原子与NbN晶粒相遇之后聚集与分离情况进行了研究。采用基于密度泛函理论(DFT)第一性原理超软赝势平面波计算方法分别计算了Nb、Si、N各单原子在NbN(001)表面绕2N2Nb岛的吸附作用和迁移过程。计算结果表明,Nb、Si、N单原子在2N2Nb岛旁边的吸附能最大位置分别为P3、P1、P2,吸附能分别为7.3067,5.3521和6.7113eV;Nb、Si、N单原子绕2N2Nb岛的迁移所需的激活能分别为2.62,1.35和5.094eV。吸附能与迁移激活能较小的Si原子为激活元素促进了其它原子的扩散进而提高薄膜的致密性。沉积过程中具有较小激活能的Si原子极易围绕2N2Nb岛迁移将NbN晶粒分隔,阻止晶粒长大进而细化晶粒。     

Si(111)7×7表面Gd@C82分子的STM研究

用超高真空扫描隧道显微镜(UHV-STM)研究了金属富勒烯分子Gd@C82在Si(111)7×7重构表面的吸附特性和电学特性.STM形貌像显示Gd@C82分子和Si基底之间相互作用较强,Gd@C82分子吸附在Si基底的三种特定的位置上,其中在Si(111)7×7单胞内三个顶戴原子间的吸附位最稳定.扫描隧道谱(STS)的测量显示Gd@C82分子呈现半导体特性.分子表面局域电子态密度(LDOS)在Gd附近受到Gd与碳笼间电子转移的影响,发生显著变化.     

脉冲激光沉积法生长In掺杂SrTiO3薄膜及其微观结构研究

采用脉冲激光沉积(PLD)方法在MgO/TiN/Si(100)衬底上,生长不同In掺杂量的SrInxTi1-xO3(x=0、0.1、0.2)薄膜,研究In掺杂及本征SrTiO3(STO)缓冲层对薄膜结晶性能,表面形貌、生长模式及紫外拉曼光谱特性的影响.结果表明,In掺杂导致薄膜结晶度降低,通过引入本征STO缓冲层可有效提高In掺杂STO薄膜的结晶度,增强薄膜的(200)择优取向性.然而随In掺杂量的增加,薄膜表面平均粗糙度增大;生长模式由层状生长转变为岛状-层状复合模式;拉曼一次声子振动模式峰强逐渐增强,说明薄膜的晶体对称性降低.     

4d过渡金属掺杂石墨烯对HCN吸附行为的第一性原理研究

采用第一性原理的密度泛函理论方法研究了掺杂Y、Zr、Nb、Mo、Tc和Ru的石墨烯体系对氰化氢(HCN)的吸附作用。首先考察了HCN分子中H、C或N原子分别靠近吸附点的三种吸附构型。然后比较了吸附HCN前后掺杂石墨烯的能带变化。研究结果表明,掺杂Mo和Ru的石墨烯吸附HCN后的带隙大小变化大于20%,并表现为半导体行为,说明吸附后掺杂石墨烯的电导性能受影响较大。此外,进一步研究了掺杂Mo和Ru的石墨烯吸附HCN的过程,讨论了吸附能、带隙、晶格常数、HCN电荷和键长的变化,并分析了掺杂Mo和Ru的石墨烯的振动特性。研究表明,掺杂Mo和Ru的石墨烯对HCN的吸附非常敏感,这可能是开发HCN传感器的有用材料。     

稀土La掺杂Mg2Si的几何结构、弹性性能和电子结构的第一性原理研究EI北大核心CSCD

采用密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波赝势方法对稀土元素镧(La)掺杂Mg2Si的几何结构、弹性性能和电子结构进行计算与分析。首先,结合形成焓、Born力学稳定性以及差分电荷密度的结果可知,掺杂稀土元素La之后,形成的Mg8Si4La和Mg8Si3La均不能稳定存在,La掺杂的Mg2Si优先占据体系Mg原子的位置;其次,晶体的体模量(B),剪切模量(G),杨氏模量(E),泊松比(ν),以及各向异性系数(A)的计算结果表明本征Mg2Si为脆性相,而Mg7Si4La为韧性相,掺杂La可以提高Mg2Si的延展性;最后,态密度、Mulliken布居数和电荷差分密度的计算结果表明掺杂稀土镧后费米面向高能级区域偏离,进入导带,提高了Mg2Si的导电性。     

Li在石墨烯、BC5及C5N表面吸附与迁移的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了Li在本征石墨烯及BC₅、C₅N表面的吸附和迁移行为。与本征石墨烯相比,硼含量为16.67%(原子分数,下同)的石墨烯提高了Li的吸附能,而氮含量为16.67%的石墨烯降低了Li的吸附能,这归因于掺杂物种具有不同的电子结构。通过NEB(Nudged elastic band)方法计算了Li在本征石墨烯、BC₅、C₅N表面的迁移。结果表明,相比于本征石墨烯,硼含量为16.67%的石墨烯抑制了Li的扩散,而氮含量为16.67%的石墨烯促进了Li的扩散,有助于提高石墨烯负极材料的充放电性能。