Mn掺杂c-ZrO2电子和光学性质的第一性原理研究

基于DFT+U第一性原理计算,预测了过渡金属锰（Mn）掺杂立方氧化锆（c-ZrO₂）体系的电子和光学性质。当c-ZrO₂中的Zr原子被Mn原子取代后,体系的电子态密度图表明体系的带隙减小,同时价带顶的电子密度明显增加使得价带展宽约5%。在自旋向上通道中,费米面附近的电子密度源于Mn 3d电子与O 2p电子的强烈混合,使得掺杂体系具有半金属铁磁性能,这也可能是引起体系带隙减小的原因。本研究还表明,通过Mn掺杂,体系折射率明显增加,在约为2.8 eV 低能区域形成新的坡度陡峭的光吸收峰,这一发现使Mn掺杂c-ZrO₂用作光吸收材料成为可能。通过Zener双交换机制解释了体系的铁磁性能,该理论也曾用于解释其他化合物;同时也探讨了体系的电子结构和光学性质之间的联系。     

空位和B、N、Al、P掺杂对Li在石墨烯上吸附的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了空位和B、N、Al、P掺杂对Li在石墨烯上吸附的影响,结果表明:Li原子在完整石墨烯上吸附的稳定位置为心位,吸附高度在覆盖度低于1/40 ML时趋于恒值;B、N、P原子掺杂比Al掺杂石墨烯容易;杂质类型对Li在石墨烯上的吸附位置有显著的影响;空位和B、Al、P替位掺杂均加强了Li在石墨烯上的吸附,Al替位掺杂对Li在石墨烯上吸附的影响相对较大;Al、P掺杂改变了Li的稳定吸附位置(由心位移到顶位);Li在空位缺陷和N掺杂石墨烯上吸附后,两体系具有磁性,Li吸附在B-graphene、Al-graphene、P-graphene体系磁矩为零,不显示磁性。     

植被对红壤坡面侵蚀影响的试验研究

考虑种植草本植被时红壤坡面的侵蚀情况,采用室内人工模拟降雨的方法,在强降雨(雨强2.0 mm/min)、短历时(30 min)情况下,研究不同坡度、不同植被覆盖度下红壤坡面抗侵蚀效应。结果表明:当植被覆盖度40%时,随着植被覆盖度的增加,侵蚀量迅速降低,当植被覆盖度60%时,侵蚀量减小趋于平缓,故本研究的临界植被覆盖度为40%~60%;对于不同植被覆盖度的红壤坡面,其临界坡度也发生了变化,当植被覆盖度40%时,临界坡度较裸露坡面逐渐减小,当植被覆盖度60%时,随着坡度的增加侵蚀量缓慢递增,试验中没有出现临界坡度。分析其原因,指出临界坡度是土壤内在性质、植被特性、降雨等因素综合作用的结果,并不是一个常数。     

石墨烯带正常-超导结的量子输运

基于非平衡格林函数(non-equilibrium Green's function,NEGF)和密度泛函理论(density functional theory,DFT),从第一性原理出发研究Armchair型和Zigzag型的石墨烯带正常-超导结的电子输运性质,计算了缺陷对这两种正常-超导结输运性质的影响.计算表明,对无缺陷正常-超导石墨烯带,在超导能隙内,Andreev反射系数TA恰好等于正常石墨烯带的电子透射系数TN.当石墨烯带存在缺陷时,Andreev反射系数TA不再是一个常数,而在超导能隙边缘出现两个尖锐的峰,其峰值大于正常系统的电子透射系数.在超导能隙之外,Andreev反射系数TA逐渐减小为0,准粒子的正常隧穿几率T1逐渐增大,且趋于无超导下的正常系统的电子透射系数TN.不同缺陷构型对石墨烯带中载流子的输运过程影响不同.如果缺陷的存在对正常石墨烯带电子散射过程影响越大,则其对正常-超导体系中的Andreev反射和准粒子散射影响也越大.     

改性石墨烯纳米材料气敏特性的理论研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究单个CO和O2气体分子在多种金属原子修饰的石墨烯表面的吸附作用.结果表明,空位缺陷结构的石墨烯能够显著提高金属原子的稳定性,失去部分电荷的金属原子有助于调控气体分子的吸附特性.对比发现,单个金属Al和Mo原子掺杂的石墨烯体系对O2分子具有极高的灵敏性和选择性.通过不同气体分子的吸附能够调控石墨烯体系的电子结构和磁性.研究结果测试了不同金属原子修饰石墨烯表面的反应活性,为设计新型金属-石墨烯功能器件提供参考.     

Bi掺杂BaSnO3电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的全势线性缀加平面波法,对Bi掺杂钙钛矿BaSnO3电子结构进行了第一性原理的研究．研究结果表明：BaSnO3是一种间接带隙材料,带隙值为0．33eV,掺杂前其光吸收和催化能力都很弱,但掺杂后的Ba1-xBixSnO3是一种直接带隙材料;随着掺杂量的增加,其带隙值和晶格常数都减小;费米面都向高能移动,使得介电函数的虚部的峰值大幅度提高,介电损失减小．掺杂提高了Ba1-xBiSnO3的光吸收和催化能力,表明Ba1-xBiSnO3是一种有前景的光学材料．     

Ga掺杂改性ZnO(001)面对CO气敏机理的第一性原理计算

针对目前在理论上还未能解释清楚的ZnO的气敏机理问题,基于第一性原理结合Castep软件包研究了本征ZnO和Ga掺杂改性ZnO(001)面吸附CO分子后的电子结构和能带结构.研究结果表明:掺杂Ga后ZnO的(001)面的总电子态密度分布与掺杂前类似,带隙中未出现其他的电子态,但掺杂后ZnO表面CO吸附前后的电子态密度发生了显著的变化,价带和导带之间的间隙变小,费米能级进入导带.在此基础上,对Ga掺杂改性ZnO(001)面对CO的气敏机理进行了理论解释.     

Cu掺杂AlN的铁磁稳定性的第一性原理计算

文章采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势法,结合广义梯度近似计算了Cu掺杂AlN的晶格常数、能带结构、电子态密度、铁磁态和反铁磁态的总能量,并通过平均场近似的海森堡模型估算了居里温度Tc。结果表明,Cu掺杂体系的能带结构呈现半金属性,半金属能隙为0.442eV。铁磁性是Cu原子的3d态与其最近邻的N原子的2p态通过p-d杂化作用而稳定的。当两个Cu原子相距最远且自旋平行排列时,体系具有最低的能量,估算出此时的居里温度高于室温,因此Cu掺杂AlN有望作为稀磁半导体材料。     

铟对Bi2Te3光电性质的影响

采用基于第一性原理的密度泛函理论平面波超软势法,对InxBi2-xTe3晶体的电子结构进行了模拟计算.系统分析了形成能、能带结构、电子态密度以及复介电函数.计算结果表明：在In的比例x小于0.4的范围内,InxBi2-xTe3仍属于半导体材料,但从直接能隙变为间接能隙,能隙宽度也随着In增加而减小.     

Be掺杂浓度对ZnBeO体系电子结构的影响

采用基于密度泛函理论的第一原理方法,计算了Zn16-nBenO16掺杂体系所有的652种不同几何构型.结果表明：掺入ZnO的Be原子均匀分散,不出现聚集,与实验中没有观测到ZnO和BeO出现相分离这一现象吻合;掺杂浓度为25%、50%和75%时,掺杂的Be原子均匀对称地分布在32个原子组成的超原胞中,此时体系处于最稳状态;优化Be浓度从0到100%的掺杂体系几何结构,获得的晶格参数与实验值吻合较好,符合Vegard’Law拟合带隙曲线,得到的禁带弯曲系数b为5.76eV.     

氮掺杂石墨烯/聚苯胺复合凝胶的制备与性能

为了拓展石墨烯凝胶在超级电容器方面的应用,采用氨水与水合肼作为掺杂剂和还原剂,通过与氧化石墨烯的水热反应制备了氮掺杂石墨烯凝胶,并进一步运用原位聚合的方法在氮掺杂石墨烯凝胶上负载聚苯胺,得到氮掺杂石墨烯/聚苯胺复合凝胶. 利用X射线衍射、扫描电子显微镜对产物的结构和微观形貌进行表征,采用循环伏安、恒电流充放电等方法测试其电化学性能. 结果表明,氮掺杂石墨烯/聚苯胺复合凝胶与纯氮掺杂石墨烯凝胶相比,电化学性能有显著的提高. 当扫描速率为10 mV/s时,复合凝胶的比电容约为500 F/g;在恒电流充放电实验中,当电流密度增加到10 A/g时,复合凝胶的比电容仍然保持在约400 F/g. 当循环伏安扫描1 000圈后,比电容的保持率达到80%. 这些表明氮掺杂石墨烯/聚苯胺复合凝胶拥有突出的电化学性能,也表明了氮掺杂石墨烯/聚苯胺在超级电容器方面将会有很好的应用前景.     

立方SrZrO3电子结构和光学性质的研究

采用基于密度泛函理论（DFT）框架下广义梯度近似平面波超软赝势法,计算了立方SrZrO3的电子结构和光学性质。计算结果表明立方SrZrO3为间接带隙钙钛矿型复合氧化物,计算得到的最小带隙为3.33eV。计算并分析了立方SrZrO3的复介电函数、复折射率、吸收系数、反射率、损失函数和光电导率,计算得到静态介电常数为3.40,折射率为1.86,吸收系数的最大峰值为468431.8cm1,反射峰的最大值为0.472,理论计算结果与其他文献结果基本一致,并利用分子轨道理论解释了立方SrZrO3电子结构和光学性质之间的关系,这为立方SrZrO3的应用提供了理论参考数据。     

Ge-Ⅲ亚稳相光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了Ge-Ⅲ亚稳相的电子结构和光学性质。Ge-Ⅲ相晶体是一种直接带隙半导体（带隙为0.46 eV）。对光学函数的计算表明,Ge-Ⅲ相晶体是一种具有高介电常数和高折射率的晶体。其静介电常数ε1（0）和静态折射率n（0）分别为33.9和5.82,大于相应的Ge-Ⅰ相晶体的值（16和4.0）。光子能量在2.38-14.9 eV（等离子体能量Ep）范围内,ε1（ω）〈0,整个晶体显示金属性;在高频透明区（能量大于Ep）,ε1（ω）〉0,显示介电性。从光吸收谱上看,Ge-Ⅲ相晶体的主要光吸收区位于整个可见光及部分紫外光谱区,在能量为4.51eV处达到最大值2.77×10^5cm^-1。Ge-Ⅲ相晶体的透过率在0-0.46eV范围可达0.5,表明它可作为一种红外光学材料。在高能区（大于14.9 eV）,反射率随能量的增加而骤减,透过率随能量的增加急剧增大,整个晶体表现出紫外透过的特征。能量损失谱上只有一个特征峰位于14.9 eV,对应于Ge-Ⅲ相晶体的等离子体能量。     

一维光子晶体基本周期结构对光子禁带的影响

利用由特征矩阵方法得到的一维光子晶体的反射率计算公式,对具体的一维光子晶体周期结构,计算了在不同的入射角下,P偏振光和S偏振光的反射率随光子晶体基本周期结构光学厚度的变化。计算结果表明,光子禁带是与光子晶体的基本周期结构的光学厚度有关的,对不同的偏振光,光子禁带随光子晶体基本周期结构的光学厚度的变化有所不同。在设计光子晶体时,可以根据需要,通过改变光子晶体基本周期结构的光学厚度来实现对光子带隙的控制。     

氮掺杂石墨烯凝胶的制备与表征

为了拓展石墨烯凝胶在超级电容器方面的应用,采用氨水、水合肼作为还原剂和掺杂剂,通过与氧化石墨烯的水热反应制备了氮掺杂石墨烯凝胶,并采用X射线光电子能谱,元素分析、扫描电子显微镜对产物的结构与微观形貌进行表征,采用循环伏安法和计时电位法测试其电化学性能. 结果表明,在氧化石墨烯的水热反应体系中引入氮掺杂剂,不仅能得到具有三维多孔结构的有一定力学强度的凝胶,而且经过氮掺杂后石墨烯的电化学性能较纯石墨烯的有明显提高. 当扫描速率为10 mV/s时,氮掺杂石墨烯的比电容为196 F/g;当电流密度为1 A/g时,氮掺杂石墨烯的比电容达到217 F/g,当循环伏安扫描1 000圈后,电容保持率达到80%. 这表明氮掺杂石墨烯凝胶具有优异的电化学性能,在超级电容器方面有很好的应用前景.     

Analysis of infrared spectra with narrow band absorption by a graphene/square-ring structure

A graphene covered on square-ring structure is designed and fabricated to achieve narrow band absorption of three peaks in the infrared band. The absorption rates of graphene/square-ring structures calculated by simulation are 90.49%, 65.67% and 20.38%, respectively, and the experimentally measured absorption rates are 82.12 %, 53.13 %, and 16.58 %, respectively. Comparing the absorption rate of simulation calculation with experimental measurement, as well as the reasons for the differences are presented. The dynamic control characteristics of the graphene device are not observed with this structure in the experiment, which is different from the simulation. We analyzed the reason for this distinction and proposed three solutions based on the experimental design. The research results of this paper provide an important reference to the design and preparation of graphene devices.     

第一性原理研究Mn重掺杂对β-Ga2O3的电子结构和光学性能的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理研究了Mn重掺杂对β-Ga2O3物理性能的影响。建立了β-Ga2O3模型,用Mn原子部分替代Ga原子构建Ga2-xMnxO3的超胞模型,实现对β-Ga2O3的掺杂,分别对x等于0.0625、0.125和0.25的模型进行了几何结构优化,获得稳定的晶格结构和晶胞参数,并对它们的能带结构、态密度和光学性能等进行分析。计算结果表明：Mn掺杂后,禁带宽度减小,费米能级上移进入导带,增大了载流子浓度,提高了体系的电导率;介电函数的虚部有明显的变化;β-Ga2O3在400-700nm的范围内,吸收系数和反射率均有不同程度的降低,与未掺杂的β-Ga2O3相比,能量损失谱的峰值发生了红移。     

Co、Ni-锯齿型石墨烯纳米带体系的磁性与电子结构研究

采用自旋极化的密度泛函理论计算方法研究Co、Ni吸附的锯齿型石墨烯纳米带（n=6,8,10）的几何构型、电子结构与磁性。在真空环境里,吸附过渡金属面后,锯齿型石墨烯纳米带发生弯曲,金属面大多不平整,且在n=8,10的锯齿型石墨烯纳米带上Co、Ni原子倾向于团聚成立体团簇。所有的Co、Ni-锯齿型石墨烯纳米带体系都是金属性的。计算结果表明,石墨烯纳米带的类一维性和边界形状将影响多个金属原子吸附后的堆积构型,同时锯齿型石墨烯纳米带作为吸附底物使吸附的过渡金属产生与无基底支持的二维、三维金属体系和石墨基底上吸附的过渡金属不同的磁性。     

基于光学Tamm态的广角度完美吸收

基于光学Tamm态设计了一个金属-DBR结构,利用传输矩阵理论,通过光子带隙中的反射谱dip位置来确定光学Tamm态（OTS）的本征波长,并进而研究了OTS的有关特征。在金属-DBR结构的界面处,存在着TE、TM模式的两种光学Tamm态,且可以用一般电磁波入射来激发。金属层厚度对OTS的本征波长及其相应的吸收率影响较大。随着金属层厚度的增加,OTS的本征波长将出现蓝移现象,即波长变短,最后逐渐趋近于一个稳定值,而结构对OTS的吸收率则出现一个峰值效应。当金属Ag层的厚度为39nm时,结构对OTS的吸收率接近于1,即完美吸收。进一步的研究表明,这一结构参数的金属-DBR结构,可以实现广角度的完美吸收。