高岭石电子结构的密度泛函理论研究

在软岩隧道工程中经常遇到的巷道大变形问题,主要是由于高岭石、蒙脱石等粘土矿物吸水膨胀所引起.为了解决这些工程安全问题,从微观的角度对高岭石的物理、化学性质进行密度泛函理论研究.研究发现:高岭石具有较大的间接带隙,带隙宽度值为4.89 e V;高岭石的导带底(CBM)和价带顶(VBM)分别位于Γ点和B点;高岭石的金属阳离子和氧阴离子之间形成的化学键主要是离子键,并含有少量的共价键成分;高岭石的VBM和CBM分别由氧2P态和金属阳离子态组成.     

掺氮3C-SiC电子结构的第一性原理研究

采用广义梯度近似方案处理电子间相互作用的交换关联能量泛函,电子波函数采用平面波基矢展开,并采用超软赝势近似离子实与价电子间相互作用,对掺氮(3×3×3)3C-SiC超晶胞电子结构进行了第一性原理研究．对不同掺氮浓度3C-SiC超晶胞的能带结构和态密度进行计算,结果表明氮原子的2p态和2s态分别占据价带顶和导带底,随着掺杂浓度的增加,导带底和价带顶的位置逐渐向低能端移动,导带底移动速度要大于价带顶,导致禁带宽度减小．     

ZnO晶格常数优化和电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)框架下局域密度近似平面波超软赝势法,计算了纤锌矿ZnO的晶格常数、弹性模量、能带结构和态密度。理论预测ZnO是一种直接禁带半导体材料,导带底和价带顶都位于布里渊区中心G点处。计算结果与其他文献结果吻合较好,为ZnO光电材料的设计与应用提供了理论依据。     

黏土矿物蒙脱石晶体的种类及其结构分析

蒙脱石是一种常见且应用广泛的黏土矿物,因其具有吸附杂原子的性能,研究蒙脱石对工程安全具有现实意义.鉴于实验研究难以针对蒙脱石吸附特性做出微观解释,采用密度泛函理论计算了5种杂原子(Mg、Na、K、Ca和Cs)蒙脱石晶体的各类性质,包括几何电子结构以及杂原子掺入晶胞造成的能量变化.计算结果显示:所有模型中氢氧键均为0.98?,铝氧键比硅氧键要长;所有的蒙脱石晶体内部3种不同氧原子的分波态密度波形相似,硅原子的分波态密度值较小,但与氧的波形重叠,表明有共价键的存在;通过杂原子掺入蒙脱石晶胞造成的能量变化进行分析,结果显示:Mg蒙脱石、Na蒙脱石、K蒙脱石晶体较为稳定.这些通过理论计算得到的稳定蒙脱石结构,对开发新型蒙脱石材料提供了分子层面的认识.     

AlN能带及态密度的密度泛函理论研究

文章采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势法计算了A lN晶体的能带结构和态密度曲线。研究表明,A lN的价带由-15.3eV－-12.3eV的下价带和-6.2eV－0eV的上价带区组成,价带顶出现三个子带：简并的重空穴、轻空穴和自旋-轨道耦合所分裂出来的劈裂带（距带顶0.2eV）;导带主要是由A l的3s、3p态电子和N的2p态电子构成的;理论预测A lN价带空穴具有大的有效质量;A lN是一种直接宽禁带半导体,带隙为4.7eV,比较起来该结果优于一些文献中的计算值。     

立方相WO_3电子结构及其(001)活性表面吸附性能

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法探讨了WO3的电子结构和表面性能,进行了能带结构、态密度和有效电子质量的模拟计算,对WO3吸附12种原子后的吸附体系进行了理论分析。结果表明,WO3价带顶主要是由O的2p态电子构成,导带底主要是由W的5d态电子构成。当价带顶上的O-2p电子吸收能量后可跃迁至导带底的W的5d轨道上,同时在O-2p上产生空穴。其电子迁移率为1.35,表明其电子-空穴的分离率较高,光催化活性较强。探讨了WO3的(001)洁净表面对12种非金属原子的吸附情况,WO3吸附F原子后表面能最小。     

高应力下蒙脱石电子结构第一性原理研究

利用第一性原理分析粘土矿物蒙脱石在高应力下的微观物理和化学性质.通过密度泛函理论(DFT)的局域密度近似(LDA)理论研究蒙脱石的原子和电子结构,计算结果表明:随着应力的增加,蒙脱石的Si-O键比Al-O键稳定,H-O键没有变化.高应力可以改变蒙脱石的能带结构,当P=33.2 GPa时,蒙脱石的能带结构由间接带隙变为直接带隙;当P=39.2 GPa时,蒙脱石的能带结构又恢复为间接带隙.此外,弹性常数计算结果表明:对于垂直于晶面有关的弹性常数C_(33)、C_(66)受应力影响较大,对于剪切变形弹性常数C_(44)、C_(66)在20 GPa～30 GPa均有微小的下降趋势,且整个过程C_(44)变化幅度不大.计算结果有助于了解高应力下蒙脱石的电子结构,为进一步了解蒙脱石的物理化学性能提供理论依据.     

ATaO_3（A=K,Na）电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用第一性原理广义梯度近似（GGA）下的全电势线性缀加平面波（FP-LAPW）方法计算出立方相ATaO3（A=K,Na）的电子能带结构、态密度,发现了其光学性质.通过对两种材料的对比分析发现,KTaO3和NaTaO3价带顶均出现在0.15089eV处,KTaO3的导带底在2.02849eV处,NaTaO3的导带底在2.27339eV处,NaTaO3比KTaO3的导带底高,因而禁带宽度较大;NaTaO3中Ta5d电子和O2p电子之间的轨道杂化比KTaO3中的轨道杂化弱,Na的粒子性较K更强,因此,NaTaO3的光催化活性明显大于KTaO3.     

V掺杂ZnO性质的第一性原理研究

采用第一性原理平面波超软赝势,计算了纤锌矿ZnO和不同浓度的V掺杂ZnO晶体的能带结构、态密度和分波态密度.计算表明,V的掺杂导致ZnO晶格发生了微小膨胀,禁带宽度变窄,体系引入的杂质能级靠近导带底,费米能级进入了导带并且穿插在杂质能级中,自旋态密度分布具有不对称性,自旋向上的电子数比自旋向下的电子数多,对态密度进行积分后发现V掺杂ZnO体系表现出净磁矩,具有磁性.当V掺杂后,V-3d态电子与O-2p态电子的态密度分布大部分重合,形成了pd杂化.     

闪锌矿结构ZnSe的光电性质和有效质量研究

为了研究红外透光闪锌矿ZnSe晶体光学性质和电学性质的内在机理。通过第一性原理的密度泛函理论,借助超软平面波赝势,计算了ZnSe晶体的能带结构和态密度,分析了反射光谱、吸收光谱和介电常数。基于有效质量的近似理论,计算了价带顶端附近电子的有效质量。研究结果表明:ZnSe晶体属于直接带隙半导体材料,反射峰的出现主要是因为Se原子的4p电子和Zn原子的3d态电子向导带跃迁,介电峰的分布与电子结构直接相关,介电峰主要是由于Zn的3d和Se的4p轨道价带向Zn的4s和Se的4s轨道导带的过渡。分析了价带顶端的电子有效质量,计算结果与文献资料基本一致,发现载流子的有效质量具有各向异性,k_a方向的电子和空穴的有效质量均较小。从而挖掘了ZnSe晶体的光电性质与有效质量的内在本质,这些分析结果对Ⅱ-Ⅵ族半导体光电子材料具有非常重要的参考价值。     

CdS电子结构和光学性质的研究

理论计算CdS晶格常数为0．5832nm与实验值0．5818nm比较,误差小于1％．理论预测CdS是一种直接宽禁带半导体材料,导带底和价带顶都位于布里渊区中心G点处,直接带隙为1．25eV,比实验值2．42eV小,这是由于密度泛函理论框架决定的．CdS的下价带主要由Cd的4d电子贡献,上价带主要由S的3p电子形成,CdS的导带主要来源于Cd的5S电子和S的3P电子的贡献．CdS晶体中Cd原子失去电子,为电子的给予体,S原子得到电子,是电子受主,且Cd--S键是共价键．Cd—S距离为2．52533A,与实验值0．253nm相比更加精确．其介电函数虚部与吸收光谱以及介电函数实部与折射率的峰值位置十分接近,说明它们之间存在内在联系,都与电子态密度分布直接相关．     

软岩隧道辅助坑道挑顶进正洞力学转换机制及施工技术

长大山岭隧道普遍采用辅助坑道实现长隧短打。软岩隧道辅助坑道挑顶进正洞施工风险高、难度大,是安全生产的重点管控环节。针对软岩隧道辅助坑道挑顶进正洞施工的经验教训,从施工工序和力学机制两个方面进行研究,讨论了软岩隧道辅助坑道进正洞的重难点、关键技术控制点及力学转换机制,提出了“地层预加固、开挖短进尺、支护大刚度、变形勤量测”的辅助坑道进正洞挑顶施工原则。     

第一原理计算α-Al2O3电子态密度性质分析

利用第一性原理中的DFT理论计算了α-A l2O3晶体结构的能带结构和电子态密度,计算过程用软赝势表示原子芯区电子,结构优化后的晶格常数与实验值误差在很小的范围内.分析了A l和O的s和p轨道对分态密度的影响,依据晶体场理论分析了态密度成键轨道和反键轨道的归属.结果表明,禁带能隙约为8 eV,导带位于6.7~17.5 eV,对(110)晶面切片电子密度分析,发现氧原子周围强烈的电子定域分布.α-A l2O3电子的布居分析发现,在铝和氧之间存在明显电子转移.     

考虑禁带情况下半导体的电子与空穴分布

在考虑禁带特性的情况下,从理论上探讨了半导体中电子与空穴的分布．以Si为例,利用MATLAB定量分析了不同能量时本征Si半导体中电子占据导带底的几率-温度关系和不同温度时电子占据导带底的几率-能量关系．分析结果表明：导带中绝大多数电子分布在导带底附近,价带中绝大多数空穴分布在价带顶附近;温度越高,电子占据导带底的几率越大,温度每升高20K,电子占据的几率增加大约4到5倍;导带中能级具有的能量越高,电子占据该能级的几率越低,能量每增加0．02eV,电子占据的几率下降大约1／2．     

GaAs高过超能量态电子自旋相干动力学研究

研究了9.6K低温下、本征GaAs高过超能量态电子自旋相干动力学的浓度依赖,发现当光子能量为1.57eV,载流子浓度增大至2.65×1017cm-3时电子自旋相干量子拍的相位翻转180°。理论计算表明量子拍的相位翻转为区分轻、重空穴系统提供了重要依据,当载流子浓度大于2.6×1017cm-3时,量子拍的振幅主要起源于重空穴价带-导带跃迁,当载流子浓度小于2.6×1017cm-1时,量子拍的振幅主要起源于轻空穴价带-导带跃迁。因而,分别在轻空穴价带-导带系统和重空穴价带-导带系统实验测量电子自旋相干动力学成为可能,实验数据表明在轻空穴价带-导带系统测得的电子自旋相干弛豫时间明显大于在重空穴价带-导带系统测得的电子自旋相干弛豫时间。     

数值模拟软岩巷道支护技术研究

软岩巷道多具有高应力、变形大、难支护等工程特征,单一支护方式难以控制围岩变形.通过对围岩变形机理、破坏过程分析研究,利用模拟围岩变形破坏的RFPA计算软件,建立了数值计算力学模型.对软岩巷道围岩变形破坏、应力转移过程进行模拟分析,为软岩巷道支护方案设计提供了依据.     

数值模拟软岩巷道支护技术研究

软岩巷道多具有高应力、变形大、难支护等工程特征,单一支护方式难以控制围岩变形.通过对围岩变形机理、破坏过程分析研究,利用模拟围岩变形破坏的RFPA计算软件,建立了数值计算力学模型.对软岩巷道围岩变形破坏、应力转移过程进行模拟分析,为软岩巷道支护方案设计提供了依据.     

反钙钛矿晶体Sc3AlN电子结构和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的分子动力学方法,对立方反钙钛矿Sc3AlN的电子结构和光学性质进行了计算．系统分析了Sc3AlN电子结构和成键情况,并利用计算的能带结构和态密度分析了Sc3AlN的介电函数实部和虚部以及由它们派生出来的光学常数,即折射率、反射谱、吸收谱、光电导率和能量损失函数等．计算结果表明Sc3AlN属于导体材料,其价带主要由Al的2s2p,Sc的3d态电子构成,导带主要由Sc的3d态电子构成,静态介电常数ε1（O）=22．1,折射率n（0）=4．7．     

TBM挤压大变形隧洞管片错台及加固机理研究

软岩是重大交通、水电、矿山等工程建设中经常遇到的复杂介质,高地应力作用下软岩地下工程很容易产生围岩大变形,不仅对施工安全造成影响,而且还会造成建设工期和成本的迅速增加。软岩大变形已成为我国交通、水利、深部资源开发等工程领域亟待解决的重大课题。本研究以引大济湟隧道掘进机(tunnel boring machine, TBM)挤压大变形导致的管片错台为例,通过对现场监测成果的反演分析,系统研究挤压大变形不同错台的修复与控制方法,本研究成果对其他膨胀泥岩卡机事故脱困以及管片错台的工程具有指导意义。     

隧道开挖引起地表位移的数值模拟研究

隧道开挖扰动隧道上覆岩土层,原有的应力平衡状态发生破坏,导致地表发生移动和变形从而对周边建筑物产生影响.以某地铁隧道为例,应用ANSYS计算隧道开挖这一动态过程引起的地表沉降,分析地表沉降对周围环境尤其是建筑物的影响,并提出相应的防御解决措施,以此来减少隧道开挖对建筑物的影响.