缺陷富勒烯C20分子器件的电子输运研究

运用基于第一性原理密度泛函理论（DFT）的非平衡格林函数（NEGF）方法,对正十二面体富勒烯C20分子及其有缺陷的C20分子进行了电子输运性质的研究。通过计算得出了模拟的电子透射谱线。通过比较不同缺陷的分子的传导特性,获得了C20的电子输运特点。通过比较发现,几乎所有情况下缺陷器件的传输概率在电子能量大于0．52eV时都大约是10^-10,几乎没有电子透过,所以这种器件可以作为一种响应很好的电子开关;而器件中原子的缺失并没有造成电子传输路径的中断,在大多数情况下,在原子缺失处反而产生更多的传输路径,通路的增多使得器件传输能力得到提高。     

单端吸附碳链双分子结电子输运性质的理论研究

设计了几个由不等长、单巯基吸附的碳链构成的双分子结模型,并利用密度泛函理论和非平衡格林函数方法对其电子输运性质进行了系统的理论研究.结果显示,两分子中较短的分子对分子结电导性质有比较大的贡献.比较不同双分子结之间的传输性质发现,两分子长度的差异对分子结的整流效应有着较大的影响,体现了较短分子的调制作用.每个分子结都表现出了负微分电阻效应.针对这些整流和负微分电阻等现象,利用分子结的透射谱以及分子投影自洽哈密顿量对其进行了系统的分析.     

C_(20)分子与C_(20)~±离子的电子及光谱特性分析比较

利用Gaussion98对C20分子及C2±0离子进行了结构优化、频率计算,得到了没有虚频的稳定结构。在此基础上对C20分子及C20±离子的电子结构和振动光谱进行了比较分析。自然键轨道理论(NBO)分析表明:三者都具有离域特性,C20分子及C20-离子的电子都向部分原子转移,它们的共价键是带有部分离子性质的共价键。对三者的光谱计算显示C20+离子几乎没有红外吸收特性,而喇曼光谱较容易将C20分子和C20±离子分辨开来。红外光谱可以将C20-离子与C20+离子区分开。     

锯齿-扶手椅-锯齿型石墨烯纳米带电子输运特性研究

基于密度泛函理论和非平衡格林函数,研究了中心散射区长度对于锯齿-扶手椅-锯齿型石墨烯纳米带(Z-A-ZGNRs)的电子输运特性的影响.结果表明:中心散射区长度对导电性能有很大的影响.散射区长度较小时,在一定区间内具有明显的负微分电阻现象,长度增加时,这种效应减弱.Z-A-ZGNRs在-2～2 V偏压下存在整流现象,散射...     

C20富勒烯分子及C±20富勒烯离子特性分析与比较

以C1对称C20富勒烯分子为模型,在Gussion03上做了结构优化、频率计算以及自然键轨道理论(NBO)计算,并在同样的方法和基组下分别对C20分子得失一个电子的情况做了计算,并进行了分析和比较.结果表明:C1对称C20富勒烯分子不稳定,易于得失电子而以离子形式存在.C20,C+20,C-20三者的能量关系为:EC20＞EC+20＞EC-20,C20更容易得到电子,成为C-20.三种分子的能隙关系为:ΔEC20＞ΔEC+20＞ΔEC-20,说明C20分子带电后电子性质更活泼.C+20富勒烯离子的杂化方式最接近sp2杂化     

C20富勒烯分子及C±20富勒烯离子特性分析与比较

以C1对称C20富勒烯分子为模型,在Gussion03上做了结构优化、频率计算以及自然键轨道理论(NBO)计算,并在同样的方法和基组下分别对C20分子得失一个电子的情况做了计算,并进行了分析和比较.结果表明:C1对称C20富勒烯分子不稳定,易于得失电子而以离子形式存在.C20,C+20,C-20三者的能量关系为:EC2...     

C_(20)富勒烯分子及异构体的密度泛函方法研究

为更好地研究小富勒烯分子的形成机理和存在方式以及更好地了解它们的各种物理化学性质,利用密度泛函理论,在B3LYP/6-31G*方法和基组水平下对分属D2h、C2h、C2、Ci和D3d对称群的C20富勒烯分子及异构体进行了结构优化、频率计算和自然键轨道分析,得到了它们的能量、能隙、振动光谱、电子结构特性。结果表明:C20分子具有明显的离域特征,这是它虽然违反五元环隔离规则却能够稳定存在的原因;所讨论的C20异构体的能量和能隙差别微小,属于等能体,其稳定性顺序为C2>D2h>D3d>Ci>C2h;各异构体的轨道杂化特征和电子转移特征也基本一致。研究发现红外光谱不适宜用来鉴别C20富勒烯分子的对称性,而喇曼光谱可能将D3d对称群的C20分子辨认出来。     

C_(20)富勒烯分子异构体的~(13)C NMR谱特征比较

选择C20富勒烯分子最可能稳定存在的几种等能异构构型作为研究对象,在高斯中选用密度泛函理论,用B3LYP/6-31G*方法和基组对这几种分别属于D2h、C2h、C2、D3d和Ci对称群的C20富勒烯分子异构体进行了结构优化,得到了各个构型的键长信息并对它们进行了比较。根据对称性的不同对5种异构体分子的13C NMR谱图特征进行了分析和比较,阐述了每种异构体的NMR谱图特征线的数目以及强度差别。结果表明,通过观察C20富勒烯分子异构体13C NMR谱图中特征谱线的个数和强度,可以很好地区分5种异构体的异构类型,为实验上鉴定C20富勒烯分子所属对称群做了前期准备。     

弛豫时间对双势垒结构电子输运性质的影响

利用对双势垒器件非平衡态电子输运性质的含时动力学模拟计算,分析了弛豫时间对这类低维器件电子输运特性的影响.结果表明,由于电子-声子、电子-杂质和电子-缺陷等相互作用导致的弛豫时间对器件Ⅰ-Ⅴ曲线产生很大的影响,即电流滞后类平台结构的倾斜度以及电流滞后区的宽度.     

裁剪层数对石墨烯纳米带电学输运性能的研究

基于密度泛函理论和非平衡格林函数结合的方法,研究了裁剪层数对扶手椅型石墨烯纳米带电子输运性质的影响。研究结果表明,裁剪不同层数对扶手椅型石墨烯纳米带的整流特性会产生不同的影响。当裁剪层数为1,2,3,5层时,器件的电流-电压曲线呈现为准对称结构,器件产生较弱的整流现象;当裁剪层数为4层时,正负偏压下电流的对称性消失。在正向偏压下,电流随电压的增加而增大;而负向偏压下,电流几乎不随电压的变化而变化,可以看出器件产生了明显的整流现象。也就是说,可以通过裁剪的方式对分子器件的整流特性进行调整和改进。该研究结果对未来石墨烯整流器件的设计具有指导意义。     

Tuning the Electronic Bandgap of Graphdiyne by H-Substitution to Promote Interfacial Charge Carrier Separation for Enhanced Photocatalytic Hydrogen Production

Graphdiyne (GDY), which features a highly π-conjugated structure, direct bandgap, and high charge carrier mobility, presents the major requirements for photocatalysis. Up to now, all photocatalytic studies are performed without paying too much attention on the GDY bandgap (1.1 eV at the G₀W₀ many-body theory level). Such a narrow bandgap is not suitable for the band alignment between GDY and other semiconductors, making it difficult to achieve efficient photogenerated charge carrier separation. Herein, for the first time, it is demonstrated that tuning the electronic bandgap of GDY via H-substitution (H-GDY) promotes interfacial charge separation and improves photocatalytic H₂ evolution. The H-GDY exhibits an increased bandgap energy ( ≈ 2.5 eV) and exploitable conduction band minimum and valence band maximum edges. As a representative semiconductor, TiO₂ is hybridized with both H-GDY and GDY to fabricate a heterojunction. Compared to the GDY/TiO₂, the H-GDY/TiO₂ heterojunction leads to a remarkable enhancement of the photocatalytic H₂ generation by 1.35 times under UV–visible illumination (6200 µ mol h⁻¹ g⁻¹) and four times under visible light (670 µ mol h⁻¹ g⁻¹). Such enhancement is attributed to the suitable band alignment between H-GDY and TiO₂, which efficiently promotes the photogenerated electron and hole separation, as supported by density functional theory calculations.     

C_3分子线在激光场中的含时密度泛函理论研究

运用将含时密度泛函理论(TDDFT)和分子动力学相结合的方法,研究了C3分子线的光吸收谱以及它在强激光场中的电子和离子响应。计算结果表明,C3分子线光吸收谱可以分为两个区域,其中既包含独立的峰,又包含连续分布的峰。对C3分子线在激光场中的研究表明,在激光强度、极化方向及脉冲长度相同的情况下,当激光频率远低于共振频率时,分子的电离发生较晚而且电离较弱,分子沿激光极化方向的偶极矩与激光脉冲波包很相近,分子激发处于线性响应区;当激光频率处于共振频率范围时,C3分子线的电离增强,而且偶极矩的激发与激光脉冲波包完全不同,与分子的电离密切相关。     

Multiscale modeling with carbon nanotubes

Technologically important nanomaterials come in all shapes and sizes. They can range from small molecules to complex composites and mixtures. Depending upon the spatial dimensions of the system and properties under investigation computer modeling of such materials can range from equilibrium and non-equilibrium quantum mechanics, to force-field-based molecular mechanics and kinetic Monte Carlo, mesoscale simulation of evolving morphology, and finite-element computation of physical properties. This brief review illustrates some of the above modeling techniques through a number of recent applications with carbon nanotubes: nano electromechanical sensors (NEMS), chemical sensors, metal-nanotube contacts, and polymer-nanotube composites.     

储氢碳纳米管与氢原子相互作用的量子力学研究

应用ONIOM方法对单壁碳纳米管储氢进行了研究,由高到低分别应用密度泛函(DFT)B3LYP方法、HF方法与AMl方法对其进行了组合计算,优化结果与完全用从头算方法(HF/3-21g*)得到的结果存在着较大出入,分析认为后者的结果较为可靠.使用HF/3-21g*方法对(5,5)5晶胞,(6,6)5晶胞单壁碳纳米管在不同的氢覆盖率下进行结构优化,找出了其相关递变规律性.完全应用B3LYP/3-21g*对一系列的体系进行了单点能的计算,通过势能面扫描数据,得到了单壁碳纳米管储氢的基本模型和储氢过程是化学过程的结论.     

四方晶相HfO2电子结构和光学性质研究

采用密度泛函理论(DFT)框架下的局域密度近似(LDA),计算了四方HfO2晶体的电子结构,包括能带结构和态密度.在此基础上计算了四方Hf02晶体的光学线性响应函数,包括复介电函数、吸收光谱、复折射率和光电导谱.通过比较发现,计算结果与实验结果吻合较好,说明采用密度泛函理论的局域密度近似来计算HfO2材料的光学性质是比较可靠的.     

C_(60),M@C_(60)电子传输特性研究

采用扩展的Hückel方法与格林函数方法,分析了双Au电极作用下,C60,M@C60(M=Si,Ge)富勒烯分子的电子结构与导电性,并对三种富勒烯分子的电子结构与电子输运特性进行了对比。研究结果表明,三种富勒烯分子与A u电极“接触”后,其最高占据分子轨道与最低未占据分子轨道间的能隙减小,它们与A u电极之间的结合既有共价键的成分,又有离子键的成分;三种富勒烯分子的电子输运性能依次具有Ge@C60>Si@C60>C60的顺序。     

弯曲锯齿型单壁碳纳米管的电子学特性研究

采用密度泛函数的B3LYP和非平衡格林函数方法分别对锯齿型单壁(5.0)碳纳米管(SWCNT)及外接Au电极后的电子结构和电子传输特性进行了理论研究。另外用同样的方法,对弯曲的SWCNT和外接Au电极的器件的电子结构、电子传输特性进行了研究。比较发现,两个模型在HOMO状态下的电子分布主要集中在两端,总的传输性能比LUMO状态下要弱。虽然两种模型具有相似的能带结构,但弯曲SWCNT的能隙较未弯曲SWCNT的能隙要小。另外两种模型的传输谱与态密度有着明显的对应性,但弯曲的碳纳米管的传输谱较未弯曲碳纳米管的传输谱峰值大很多,说明弯曲过后SWCNT的电子输运性能要远优于未弯曲SWCNT。     

A New Descriptor for Complicated Effects of Electronic Density of States on Ion Migration

Halide perovskites have attracted much attention because of their excellent optoelectronic properties, such as high light absorption, long carrier diffusion length, and high defect tolerance. Ion migration induced device performance degradation, which is not yet fully understood, has become the key obstacle for commercialization of halide perovskites. Here, a general mechanism is proposed, which can build up the connection between the ion migration barrier and the electronic density of states, to clarify the origin of low barrier for ion migration. Density functional theory (DFT) simulation results show that the low barrier is caused by a significant energy difference in band centers between Pb²⁺ and the isolating halogen anion or by the small number of density of states. Following the explored mechanism, two strategies are proposed to boost barriers via DFT combination CI-NEB simulations: 1) halide double perovskites and 2) B-site doping. Furthermore, the finding not only deepens the understanding of ion migration in halide perovskites but also paves a new path for the commercialization of halide perovskite optoelectronic devices.