RhZr2电子结构和弹性性质的第一性原理

通过基于密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)的第一性原理(First Principles),分别应用广义梯度近似(GGA)和局域密度近似(LDA)平面波超软赝势法,计算四方晶相RhZr2基态的电子结构和弹性系数矩阵。对四方晶相结构的RhZr2进行几何优化,对其能带结构、总态密度和分态密度以及差分电荷密度进行研究,并计算RhZr2晶体的原胞总能量与形成焓。计算得到RhZr2的弹性系数C11、C12、C13、C33、C44、C66分别为195.38、176.80、109.00、235.65、11.12、24.51GPa,体积模量为156.92(±2.22)GPa,在[100]、[010]和[001]方向上的杨氏模量分别为34.77、34.77、171.80GPa,切变模量Gxy、Gzx、Gzy分别为24.79、14.57、19.68GPa。     

Cu掺杂对TiO_2性质影响的第一性原理研究

得到了锐钛矿TiO_2半导体的原胞结构,用Cu原子置换TiO_2原胞中的钛原子,并进行几何优化。通过对能带、态密度的分析,发现在掺杂Cu后,禁带宽度和价带均变窄,导带变宽,价带在费米能级附近出现特别的峰。掺Cu入TiO_2中不仅由Cu的3d态电子产生了杂质能级,同时引起了TiO_2的晶格畸变,光催化性能增强,光响应范围扩展至668.2 nm。     

Mg_2Ge合金表面性质的第一性原理计算

镁锗合金有着良好的耐腐蚀性能,与其表面性质有着密切关系,但具体机制不明确。因此,基于电子密度泛函理论,计算了Mg_2Ge(100),(110),(111)面的表面能和电子亲合能。结果表明,Mg_2Ge最稳定的表面为(111)中的一种,其表面原子全由镁构成,第二层原子由锗原子构成,与实验报道Mg_2Ge的解离面为(111)面吻合。不同表面构型的电子亲合能差异很大,说明Mg_2Ge的腐蚀行为如腐蚀电位等应存在较强的各向异性。在理想界面中,镁的费米能级位于Mg_2Ge的导带底的下方,形成的肖特基能垒会阻碍电子由镁基体转移到Mg_2Ge,从而使镁锗合金表现出更好的耐腐蚀性能。     

CeO2的晶格动力学性质和热输运性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的有限位移法和玻尔兹曼方程,计算了CeO2的晶格动力学性质、热力学性质和热输运性质,计算结果和实验结果基本符合。通过分析CeO2所有声子模式的振动频率、Gruneisen系数和散射率,揭示了光学声子对增强晶格振动的非简谐性和声子散射率所起的重要作用。此外,还计算了不同自由程的声子模式对热导率的贡献,发现CeO2的晶格热导率主要由声子自由程在1~10 nm之间的声子所贡献。     

W热力学性质和弹性性质的第一性原理研究

使用第一性原理方法结合准谐近似理论研究了立方结构钨的热力学性质,包括平衡体积V、体弹模量B0、线膨胀系数α、熵S、振动自由能F、等压热容CP和等容热容CV随温度的变化关系。在计算体系的线膨胀系数、熵、振动自由能、等压热容和等容热容时考虑了热电子和热振动对自由能的贡献。计算结果表明：考虑热电子对自由能贡献后得到的线膨胀系数、熵、振动自由能和等压热容在0~2000 K范围内均与实验值符合较好。在得到平衡体积随温度变化的基础上,计算了钨立方结构的弹性性质,得到了弹性常数、体积模量、剪切模量和杨氏模量随温度的变化关系,所得结果与实验测量值符合较好     

ZnRh_2O_4电子结构与光学性质的第一性原理计算

利用基于密度泛函第一性原理的GGA方法,研究ZnRh2O4的电子结构和光学性质。计算结果表明:ZnRh2O4具有明显的半导体能带结构特征,其带隙宽度为1.084eV,且在费米能级附近的态主要由Rh的4d态构成。ZnRh2O4的静态介电常数为8.215,静态折射率为2.866,介电函数吸收边位于1.0eV附近。在能量为0～8.44eV区域,ZnRh2O4的反射系数随着能量的升高而逐渐增大;随后随能量的增大而逐渐减小;在能量为11.98eV时,达到极小值,然后随能量的增大,再次逐渐增大;在能量为13.762eV时,再次达极大值,随后反射系数陡降;ZnRh2O4的吸收系数的数量级达105cm-1,且吸收主要发生在低能区,其电子能量损失谱的共振峰在14.226eV处,与此能量时反射系数的陡降相对应。     

Nb、Al共掺杂MoSi2弹性性质的第一性原理计算

通过第一性原理计算研究了Nb、Al共掺杂MoSi2晶体的电子结构、弹性常数和Mullikan布居数。结果表明,Nb、Al共掺杂可大幅提高MoSi2的韧性和导电性,当Nb和Al共掺杂量达到x=0.25时,MoSi2的弹性模量从408.86GPa降低到261.30GPa。MoSi2的电子态密度和Mullikan布居数分析表明,Nb和Al掺入后MoSi2电子态密度发生蓝移,费米能级处的电荷密度增加,体系的导电性能提高。掺杂后Mo-Al、Nb-Si键布居数减小,键长增大,原子间的共价性减弱,而Al-Si键间的共价性增强。晶体中各方向键长和键能的分布趋于对称化,MoSi2晶体韧性增强。     

Ni掺杂CoFe_2O_4晶体电磁性质的第一性原理研究

尖晶石型钴铁氧体因具有良好的电磁性质,广泛应用于电子装备、微波装备及高密度磁存储等领域。采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波赝势法,结合广义梯度近似(GGA+U),系统研究不同Ni掺杂量对CoFe_2O_4晶体结构、电子结构和磁性能的影响。结果表明:Ni离子倾向于占据八面体位置且随着Ni掺杂量的增加,晶格常数呈递减趋势。通过电子结构分析表明,带隙随着Ni掺杂量的变化而变化,大部分都呈绝缘体,且存在强烈的3d-2p轨道杂化。磁性能依赖于Ni掺杂量,随着Ni掺杂量的增加,晶格中的原子磁矩变化不明显,但总磁矩呈线性递减趋势,这主要是因为Ni离子最外层的3d未配对电子数与Co离子最外层3d未配对电子数不同,因而对磁性能的影响较大。     

Pt(100)/ZrO2(100)界面性质的第一性原理

采用密度泛函理论的平面波赝势法,分别研究在ZrO2(100)面上以氧为键桥和以锆为键桥的Pt(100)/ZrO2(100)界面模型的结合能、电子结构以及等电荷差分密度分布图。结果发现:在以氧为键桥的Pt(100)/ZrO2(100)-bridgeO界面结合能为1.978J/m2,而以锆为键桥的Pt(100)/ZrO2(100)-bridgeZr界面结合能为10.035J/m2,前者的界面结合能低于后者的界面结合能,即以锆为键桥的ZrO2(100)更容易与Pt(100)面结合。通过电子结构和等电荷差分密度分布图分析可知,以氧为键桥的Pt(100)/ZrO2(100)-bridgeO时,主要是锆氧之间存在电子转移,而以锆为键桥的Pt(100)/ZrO2(100)-bridgeZr时,不仅锆氧之间、而且铂锆之间也存在电子转移,铂锆之间主要是锆的4d电子轨道和铂的5d以及部分6s、5p电子轨道上的电子发生了转移并且成键结合,这说明在铂基材料中以锆为键桥的界面结合能有效提高铂基材料的强度。     

MoS_2电子结构、振动和介电性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理,研究了MoS2电子结构、振动和介电性质,得到了MoS2能带结构、态密度、介电谱和红外反射谱。研究表明,MoS2为间接带隙半导体。介电张量在垂直和平行于c轴方向表现出强烈的各向异性。电子屏蔽作用对介电常数贡献较强,晶格振动对介电常数贡献较弱。在300~500 cm-1波段,由于红外光学模的存在,材料与电磁波存在较强的相互作用,透波性能较差。     

CBN电子结构和光学性质的第一性原理计算

利用第一性原理计算了立方氮化硼(CBN)的电子结构和光学性质.计算结果表明CBN属于宽禁带间接能隙半导体,带隙值为4.76 eV,B原子和N原子的价电子结构分别为2s0.632p1.73和2s1.482p4.16,B-N布居数为0.64,键长为0.156 53 nm,吸收长波限值约为110 nm,静态介电常数为4.536,光吸收系数及禁带宽度随着外加压力的增大而增大.分别用杂化轨道理论和分子轨道理论对CBN的电子态进行分析,分子轨道理论更能解释DOS计算的结果.     

Lu-F共掺杂ZnO光电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超软赝势(PWPP)方法,模拟计算未掺杂,Lu、F单掺杂及Lu-F共掺杂ZnO的几何结构、能带结构、态密度分布、光吸收谱和介电常数等性质。结果表明:掺杂后ZnO的晶格常数发生畸变,晶胞体积增大,禁带宽度不同程度地减小;在光学性质方面,F单掺杂较Lu单掺杂和Lu-F共掺杂时在可见光区的吸收系数和反射低,反映前者在可见光范围具有较高的透射率。     

W-Y二元合金力学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了钇的含量对W-Y二元合金力学性质的影响,精确计算了W_(1-x)Y_x(x=0.0625,0.125,0.25,0.5)合金的力学常数,并对其力学特性进行分析。结果表明,W-Y合金的弹性常数、体模量、杨氏模量以及剪切模量随Y含量(原子分数)的增加而成非单调性减小,表明Y对W材料的合金化降低了材料的机械强度。然而,基于力学特性B/G、泊松比ν和柯西压力C'等分析,Y的合金化对W的延展性和韧性有明显的提高。当Y含量x为0.25时,可有效改善W-Y合金的延展性和抗变形能力。通过态密度分析,W-Y合金的金属性随Y含量的增加先减弱而后增强。     

锐钛矿型TiO_2及α-Al_2O_3抑制聚硫化锂扩散的第一性原理研究

由长链聚硫化锂的溶解和扩散引起的"穿梭效应"是导致锂硫电池性能严重劣化的原因之一。TiO_2和Al_2O_3作为常见的电极添加剂可以有效抑制聚硫化锂的扩散。本文通过第一性原理计算从分子层面探讨了锐钛矿型TiO_2及α-Al_2O_3抑制穿梭效应的机理。计算结果表明,TiO_2/Al_2O_3与聚硫化锂分子Li2SX(X=4,6,8)之间形成了化学键。其中,Li2SX(X=4,6,8)与锐钛矿型TiO_2(101)之间形成了Li-O键和和S–Ti键。Li2SX(X=4,6,8)与α-Al_2O_3(0001)之间形成了Li-O键和S-Al键。     

Cu、Ni掺杂FeS_2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法,研究Cu、Ni单掺杂与共掺杂体系中FeS_2的晶体结构、电子结构和光学性质。结果表明:掺杂后黄铁矿发生晶格畸变,晶格常数变大,掺杂在FeS_2禁带中引入杂质能级,使禁带变窄,费米能级上移进入导带,掺杂黄铁矿的态密度穿过费米能级,形成简并半导体,体系的导电率增强。光学性质计算表明:掺杂后介电函数虚部主峰、吸收系数和光电导率均出现红移、峰值减小。共掺杂后的光跃迁强度明显增强,可见光区范围内的光吸收系数和光电导率均增大,说明Cu-Ni共掺杂显著增强FeS_2对光的吸收以及光电转换效率。     

ZrCr2 Laves相弹性性质和堆垛层错能的第一性原理计算

采用缀加平面波加局域轨道方法和广义梯度近似对立方C15结构的ZrCr2Laves相金属间化合物的弹性性质，包括弹性常数和弹性模量，以及层错能进行理论计算。结果表明：计算得到的ZrCr2Laves相的弹性性质与实验结果相近，其泊松比和弹性各向异性系数大小说明ZrCr2中原子键合的方向性并不强烈；ZrCr2Laves相的内禀和外禀层错能分别为112mJ／m^2和98mJ／m^2。并计算了层错与位错的弹性交互作用。对ZrCr2Laves相的力学特性和变形机制进行了讨论。     

Ag表面性质的第一原理计算

采用第一原理赝势平面波方法,计算了Fcc-Ag晶体及其Ag(111)、Ag(110)与Ag(100)自由表面的能量、几何与电子结构.根据表面能的计算,预测了Ag表面的结构稳定性,结果表明密排Ag(111)面结构稳定性最好,低指数奇异面Ag(100)面次之,Ag(110)面的结构稳定性最差.通过对不同表面几何与电子结构的比较,初步分析了其结构稳定性差异的产生原因.表面原子驰豫不仅引起表面几何结构的变化,而且使表面层的电子结构与键合特性发生改变.驰豫后表面层原子的部分价电子跑到了表面层以上的真空区,使表面层原子的电子态密度峰形发生变化,还新形成了表面态,这是表面能产生的主要原因,而Ag(110)表面相对于Ag(111)与Ag(110)表面具有高表面活性的主要原因则源于其表面层原子显著的结构驰豫.     

Mg-Ti-H体系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的第一性原理赝势平面波方法,对不同Ti含量的MgxTi(1-x)H2(x=0.25,0.5,0.75,0.875)体系的电子结构进行研究,并预测其光学性质。电子态密度计算结果表明:在MgH2中加入Ti原子,使MgxTi(1-x)H2体系呈现金属特性,这源于Ti诱导费米能级处电子密度增加和费米能级附近能隙消失。电荷密度分析进一步得到了Ti-H原子间形成比Mg–H原子间更强的共价键的成键本质。光学性质预测结果表明,MgxTi(1-x)H2体系中Ti含量对其可见光能量附近的光学性质存在重要影响,较低Ti含量(如Mg0.875Ti0.125H2)不利于提高其可见光的吸收能力,而较高Ti含量(如Mg0.25Ti0.75H2)则对可见光的反射较高。计算结果为制备具有优良的太阳光吸收能力和光电转化效率的Mg-Ti-H光电材料提供了理论依据。     

Mg-Ca系合金结构和力学性质的第一性原理研究

通过基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,分析了Mg-Ca、Mg-Ca-X(X=Al,Sr)等二元和三元合金的结构和力学性质。结果表明:Mg_2Ca合金为二元Mg-Ca合金的最稳定相。Mg_2Al_6Ca_4为合金形成能力最强且最稳定的合金相,其次是Mg_6Al_2Ca_4和Mg_6Ca_4Sr_2,Mg_2Ca_4Sr_6为不稳定相。Mg_2Al_6Ca_4存在最强的抗外力变形能力、抗剪切变形能力和刚度,而Mg_6Ca_4Sr_2的塑性和延展性最强。     

Zr-Ti合金相稳定性与弹性性质的第一性原理研究

利用特殊准随机结构(specialquasi-randomstructure,SQS)超晶胞模型及第一性原理计算研究了Zr_(1-x)Tix合金中Ti含量及相结构(hcp与bcc结构,α相与β相)对合金相稳定性及弹性性质的影响。研究表明:从弹性性质上看,Ti含量增加会使Zr-Ti合金的结构更加稳定,Zr-Ti合金α相的结构稳定性普遍高于β相;Zr-Ti合金普遍具有延展性,Zr-Ti合金的α相具有更高的硬度并且其硬度和韧性都与Ti元素浓度成正比,Zr-Ti合金的β相具有更高的韧性;从电子结构上看,Ti不会显著改变hcp结构和bcc结构Zr-Ti合金系统的态密度(DOS),Zr-Ti合金系统的DOS分布中的费米能级与纯Zr系统的相似,Ti含量对Zr-Ti合金的相稳定性影响不大。