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。     

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。     

DFT方法研究一氧化氮在铬掺杂石墨烯上的吸附行为

石墨烯具有较高的比表面积,其电导率会因吸附微量气体分子而发生显著变化,有望用作超高灵敏度的气体传感器。本研究基于密度泛函理论(DFT)的计算方法,探讨了NO在石墨烯和Cr掺杂石墨烯上的吸附行为,通过对比吸附前后的各自体系的电子结构变化,发现Cr掺杂石墨烯有助于增强对NO气体分子的吸附能力,吸附能增大到–1.58 eV,基底转移到吸附物的电荷数增大了一个数量级,达到0.143 e,显著提升了气体探测灵敏度。本研究为工业、环境和军事监测领域中开发新型NO气体传感器提供了新的设计思路。     

Li在石墨烯表面吸附与迁移的第一性原理研究

本工作研究了Li在石墨烯表面的吸附和迁移行为。基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,计算了Li在本征石墨烯表面的吸附特性和迁移行为以及石墨烯吸附Li前后的能带结构、态密度、电荷转移、差分电荷密度。Li在4×4石墨烯表面的扩散能垒为0.336 eV,其在C6环芯位的吸附能为1.569 eV,电荷转移量为0.870 7e,Li原子的2p轨道和C原子的2p轨道出现杂化。Li主要通过跨越C-C键桥位而在相邻C_6环芯位间实现平行于石墨烯表面的连续扩散,Li原子在石墨烯表面的最稳定吸附位为C_6环芯位,吸附Li后的石墨烯+Li体系显示出金属性,且Li与石墨烯间同时存在离子键和共价键。     

掺杂对单层二硫化钼吸附砷烷分子特性的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了掺杂的单层二硫化钼(MoS_2)对砷烷分子(AsH_3)吸附特性。讨论了砷烷分子在本征二硫化钼上不同位置对吸附特性的影响。针对本征二硫化钼对砷烷吸附较弱,对单层二硫化钼进行掺杂,通过硅原子(Si)取代晶胞中的硫原子(S)来实现吸附增强。计算结果显示,相比于本征二硫化钼层,掺杂Si的二硫化钼对砷烷分子具有更优良的吸附特性;具有更小的吸附高度,更小的吸附能,更显著的电荷转移,以及与砷烷分子间更强的相互作用。这些研究结果为单层二硫化钼在对环境气体的吸附应用提供了理论基础。     

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。     

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。     

硝酸掺杂对Li在石墨烯表面吸附,迁移行为影响的第一性原理研究

为了研究硝酸掺杂对Li吸附在石墨烯表面的影响,采用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了Li在本征石墨烯表面及硝酸掺杂的石墨烯表面的吸附性质、电学性质及迁移行为。结果表明,硝酸掺杂后,Li原子在石墨烯表面的最稳定吸附由H位变为B位;硝酸处理使Li原子在石墨烯表面吸附更稳定,在H位、B位、T位吸附的吸附能分别增大了2.176,2.816,2.747eV。Li原子吸附在NO_3~--石墨烯体系表面后,存在3方面的电荷转移:Li→石墨烯,石墨烯→NO_3~-,Li→NO_3~-;Li原子在NO_3~--石墨烯体系表面的吸附既有N型掺杂,也有P型掺杂。硝酸掺杂降低了Li原子在石墨烯表面的迁移激活能,使Li原子在NO_3~--石墨烯表面更容易迁移。     

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。     

不同浓度硼掺杂石墨烯吸附多层金原子的第一性原理研究

石墨烯与金属间过高的接触电阻严重影响了其在微纳电子领域的应用,B掺杂可以有效降低石墨烯的接触电阻。利用第一性原理研究了不同浓度B掺杂对石墨烯吸附多层Au原子的影响。首先计算了不同浓度B掺杂石墨烯的结合能,验证了掺杂石墨烯的稳定性;然后对掺杂石墨烯进行了结构优化并在其表面置入多层Au原子,计算了吸附模型的吸附能、赝能隙、局部态密度、电荷密度分布和电荷转移量。B掺杂浓度分别为1.39%,4.17%,6.94%,9.72%,12.50%和15.28%。结果表明:随着B掺杂浓度的提高,石墨烯吸附多层Au原子体系的赝能隙变宽,吸附能增加,结构稳定性得到提升;B原子与Au原子间杂化作用明显,具有较高的电荷密度和电荷转移量,可有效地降低石墨烯与多层Au原子间的接触电阻;但掺杂浓度为15.28%时,由于浓度过高吸附模型中石墨烯几何结构变形过大。     

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.     

SW缺陷石墨烯铝原子吸附能的第一性原理研究

基于密度泛函理论（DFT）和广义梯度近似（GGA）,对SW（Stone--Wales）陷石墨烯的结构和吸附能进行了研究,计算了石墨烯吸附Al原子前后的能带结构,态密度和吸附能,计算结果表明,掺杂SW缺陷有利于石墨烯和具有自由电子的金属原子的吸附结合,与未掺杂时对比,掺杂SW缺陷可显著提高石墨烯片的吸附能。     

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。     

石墨烯负载Pdn(n=1—3)原子/团簇吸附三氯甲烷分子的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理研究了三氯甲烷(CHCl₃)分子在负载Pd_n(n=1—3)原子/团簇的石墨烯表面的吸附行为。研究表明，CHCl₃分子与本征石墨烯(PG)之间仅为物理吸附，而采用Pd原子/团簇对本征石墨烯进行修饰，可以提高CHCl₃分子与石墨烯之间的吸附性能，使得CHCl₃分子与负载Pd_n(n=1—3)的石墨烯(PG-Pd_n(n=1—3))之间形成稳定的化学吸附。在PG-Pd_n(n=1—3)三种吸附体系中，吸附能计算表明Pd₃团簇修饰的石墨烯基底对CHCl₃分子的吸附效果最好，电荷转移分析表明CHCl₃分子向PG-Pd₃转移了大量电荷，电荷密度计算证实CHCl₃分子与PG-Pd₃之间形成了稳定的化学吸附。CHCl₃分子吸附在PG-Pd_3<...     

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。     

B或N掺杂端部封闭碳纳米管吸附Pt的第一性原理计算

由于碳纳米管（CNTs）载Pt催化剂中,CNTs与Pt纳米颗粒间的交互作用弱,导致两者间导电性较差,并且容易引起Pt脱落或团聚。本文采用第一性原理对Pt原子在CNTs封闭端部的吸附行为进行了研究,发现B掺杂可以使（5,5）型和（9,0）型CNTs与Pt间的平均吸附能分别提高12.7%和19.6%,N掺杂可以使（5,5）型和（9,0）型CNTs与Pt间的平均吸附能分别提高22.4%和18.4%,并且CNTs与Pt间的电荷转移量较管壁吸附也得到了明显提升,同时B或N掺杂使CNTs-Pt体系的稳定性最高可分别提升133.8%和237.3%,说明在CNTs端部掺杂B或N可提高CNTs载Pt催化剂的性能。     

基于石墨烯基复合材料的NH3气体传感器研究进展

NH₃的排放对环境和人类健康有重大影响。近年来,对NH₃的高效实时检测已成为环境监测及分析化学领域的研究热点。作为二维(2D)纳米材料的典型代表——石墨烯,以其独特的物化性能为气体的检测提供了良好的平台。石墨烯及石墨烯基复合材料已被广泛应用于NH₃气体的检测。本文综述了近10年来国内外基于石墨烯基复合材料的NH₃气体传感器的研究进展,重点介绍了几种常见石墨烯复合材料在NH₃气体传感器中的应用。与本征石墨烯相比,金属粒子掺杂石墨烯可增强其对NH₃的吸附能力;金属氧化物掺杂石墨烯可有效提高NH₃气体传感的灵敏度,但响应时间长、重复性较差;有机高分子掺杂石墨烯稳定性相对较差,对环境要求较高;石墨烯三元复合材料可有效提高传感器的稳定性,改善传感选择性。最后,文章对NH₃气体传感器的未来发展趋势进行了展望。     

TiO2基气敏元件工作温度影响机理

对TiO2基气敏材料的能带结构及测试气体分子轨道能量进行理论计算,结合实验,对TiO2-SnO2复合材料气敏元件工作温度的影响机理进行理论研究.结果表明:掺杂使TiO2能带带隙中产生掺杂能带,导带产生负移,有利于电子热激发.对比未掺杂TiO2气敏元件,在工作温度为260℃时,掺杂使TiO2元件电阻值由44.5Mù下降到22.5Mù.气体分子LUMO能级降低,有利于降低气敏反应的活化能,从而降低气敏元件的工作温度及提高灵敏度.     

金原子修饰的石墨烯片对半胱氨酸的响应机理的第一性原理研究

使用密度泛函理论研究了本征石墨烯和经过金原子修饰的石墨烯吸附半胱氨酸的构型和电子性质.对比本征石墨烯,修饰金原子后的石墨烯与半胱氨酸之间有较强的结合能力和较短的连接距离,发生的是化学吸附.态密度的计算结果也显示半胱氨酸与金修饰后的石墨烯轨道之间存在显著的杂化现象,而本征石墨烯轨道杂化现象不明显.本征石墨烯与半胱氨酸发生的是物理吸附.预测相比于本征石墨烯,金修饰后的石墨烯是一种潜在的、更高灵敏度的半胱氨酸检测材料.     

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.