1 西南技术物理研究所, 成都 610041
2 华南理工大学 材料科学与工程学院, 广州 510641
3 四川大学 材料科学与工程学院, 成都 610064
为了对Yb∶YAG晶体荧光性能进行调控以使其更好地应用于高能脉冲型激光器, 结合密度泛函理论和晶体场理论, 对掺杂调控后的Yb∶YAG晶体的电子结构、光谱学性质进行了理论计算, 分析了不同粒子掺杂和占据格位情况下Yb∶YAG晶体的荧光性能, 并在此基础上计算配方完成晶体生长实验、制备样品进行荧光性能测试验证。结果表明, 通过以上过程掌握了Yb∶YAG晶体荧光寿命等参数的调控方法, 共掺Cr后的Yb∶YAG荧光寿命可以从1.18 ms降低至0.94 ms。该研究为Yb∶YAG晶体实现高能脉冲激光应用奠定了理论和实验基础。
激光技术 性能调控 第一性原理计算 掺杂改性 晶体生长 荧光测试 Yb∶YAG晶体 laser technique property tuning first principle calculation doping modification crystal growth fluorescent measurement Yb∶YAG crystal
具有高储氢容量和可逆储氢性能的新材料的开发对氢能的大规模利用至关重要。基于第一性原理计算, 研究了Li原子和Ca原子单独修饰和共修饰VO2单层体系的H2分子存储性能。结果表明Li原子和Ca原子均能稳定结合在VO2单层表面而不产生金属团簇。单个Li原子和Ca原子分别最多可稳定吸附3个和6个H2分子, 且H2分子平均吸附能均大于0.20 eV/H2。吸附体系差分电荷和态密度分析结果表明, 氢分子的极化机制以及氢分子与金属原子间的轨道杂化作用是H2分子在金属原子周围稳定吸附的主要原因。Li原子修饰体系的储氢质量密度随着Li原子覆盖度的增加而逐渐增加, 而Ca原子修饰体系的储氢质量密度在低金属覆盖度时较高; Li/Ca共修饰体系的储氢质量密度有所增加, 其储氢质量密度为5.00%(质量分数)。此外, 考虑了不同温度和压强条件下储氢体系的稳定性。
VO2单层 储氢 第一性原理计算 锂原子 钙原子 修饰 VO2 monolayer hydrogen storage first-principle calculation lithium atom calcium atom decoration
1 六盘水师范学院，创新创业学院，六盘水 553004
2 六盘水师范学院，化学与材料工程学院，六盘水 553004
3 贵州省煤炭洁净利用重点实验室，六盘水 553004
高性能二维负极材料的开发是可充电离子电池应用的关键。本文基于第一性原理计算，系统研究了Mg和Al离子与二维Nb2N的相互作用，包括其几何构型、电子结构、离子扩散特性、开路电压和理论容量。Mg和Al离子均能吸附在二维Nb2N上，吸附能为负，表明金属与二维Nb2N有较强的结合作用，有利于在可充电离子电池中的应用。二维Nb2N的金属性能保证了离子电池良好的导电性。两种离子的扩散势垒均小于0.2 eV，说明其具有良好的充放电速率。此外，镁离子和铝离子电池均具有比较低的开路电压和高的理论容量。这些结果表明，二维Nb2N适合作为高性能的负极材料而应用于镁离子和铝离子电池。
镁和铝离子电池 负极 二维材料 第一性原理计算 Nb2N Nb2N magnesium and aluminum ion battery anode two-dimensional material first-principle calculation
1 江苏省新能源技术工程实验室，南京 210046
2 南京邮电大学(NJUPT)理学院，南京 210046
最近，对二维铁磁材料的研究已成为自旋电子器件领域的热点。本文通过自旋极化密度泛函理论计算，设计出一种新型的二维材料Fe3As，其居里温度(Tc)为300 K，可达到室温。预测的二维Fe3As具有很强的面内Fe—Fe耦合，其大的磁各向异性能量(MAE)大约为366.7 μeV，有助于材料维持长程铁磁序。这种二维Fe3As的能带同时具有平带和狄拉克点的特征。值得注意的是，平带的位置与磁耦合的强度正相关。此外，在双轴应变的作用下，随着平带和费米面之间的距离不断减小，Tc也在逐渐升高。因此，Fe3As单层有望成为二维室温自旋电子学器件的一种有前途的候选材料。
自旋电子学 二维材料 磁学性质 笼目结构 第一性原理计算 Fe3As Fe3As spintronics two-dimensional material magnetic property Kagome structure first-principle calculation
1 1.华东师范大学 物理与电子科学学院, 极化材料与器件教育部重点实验室, 上海 200241
2 2.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海 200050
3 3. 山西大学 极端光学协同创新中心,太原 030006
宽禁带γ-CuI是一种具有优异光电和热电性能的p型透明半导体材料, 近年来受到广泛关注。但作为一种新兴材料, 其发光性能受材料缺陷影响的物理机理尚不清楚。本工作通过气相反应法制备了Cl掺杂的CuI薄膜, 采用电镜表征方法研究Cl掺杂对多晶CuI薄膜表面形貌和阴极荧光发光特性的影响, 并结合第一性原理计算探究了Cl在CuI薄膜中的主要存在形式, 以揭示Cl掺杂CuI薄膜结构与发光性能的联系。研究结果表明, 原本晶粒饱满但晶界显著的CuI薄膜掺杂Cl后呈现出致密平整的表面, 表明Cl掺杂剂改变了CuI的表面结构。相比未掺杂区域, Cl掺杂区410 nm处的荧光信号明显得到双倍增强, 而在720 nm附近的缺陷峰则略有降低, 说明Cl掺杂极大改善了CuI薄膜的发光性能。通过第一性原理计算对该现象进行理论分析, 发现引入Cl元素有效抑制了CuI中碘空位等深能级缺陷的产生, 降低了激子发生非辐射跃迁的概率, 从而改善CuI的发光性能, 这与阴极荧光的结果一致。本研究获得的掺杂CuI薄膜带边发光峰的半峰宽仅为7 nm, 表现出极高的发光单色性。这些发现有助于对卤素掺杂获得的高性能CuI基材料的理解。
CuI Cl掺杂 阴极荧光 第一性原理计算 CuI Cl-doping cathodoluminescence first principle calculation
1 沈阳大学机械工程学院, 沈阳 110044
2 沈阳大学师范学院, 沈阳 110044
通过第一性原理计算研究了四种二维双层MoSSe/WSSe范德瓦耳斯异质结的光电性质。声子谱表明四种结构具有可靠的热力学稳定性。根据堆垛方式的不同, 双层MoSSe/WSSe异质结可以是间接或直接半导体。而且, 两种Janus型MoSSe/WSSe异质结具有1.22和1.88 eV的适中带隙、显著的可见光吸收系数、跨越了水氧化还原电位的带边位置。因此, Janus型的MoSSe/WSSe异质结构在光催化水分解领域具有一定的应用前景。
第一性原理计算 Janus二维异质结 光催化水分解 声子色散谱 电子结构 光吸收 first-principle calculation Janus two-dimensional heterostructure photocatalytic water splitting phonon dispersion spectrum electronic structure light absorption
1 陕西科技大学材料科学与工程学院, 陕西省无机材料绿色制备与功能化重点实验室, 西安 710021
2 中国科学院上海硅酸盐研究所, 高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室, 上海 200050
六硼化钇(YB6)高温下结构不稳定限制了其在超高温领域的应用, 通过引入Yb元素, 可形成高温稳定的(Y1-xYbx)B6固溶体。本文以(Y0.5Yb0.5)2O3和B4C为原料采用硼/碳热还原法制备了(Y0.5Yb0.5)B6粉体, 通过无压烧结实现了陶瓷致密化, 并结合密度泛函理论计算综合分析了材料的晶体结构、微观形貌和力学性能。结果表明, 在1 650 ℃下热处理, B4C过量6.25%时合成的(Y0.5Yb0.5)B6粉体纯度最高。在2 000 ℃下无压烧结获得的(Y0.5Yb0.5)B6陶瓷致密度为95.80%, 但晶粒尺寸偏大, 可达(80.71±35.51) μm。通过两步烧结法所得陶瓷致密度、晶粒尺寸、硬度和断裂韧性分别为95.47%、(14.54±6.31) μm、(14.53±1.37) GPa和(2.81±0.34) MPa·m1/2。陶瓷断口处与典型的高损伤容限陶瓷Ti3SiC2、Hf3AlN的断口形貌十分类似, 表明(Y0.5Yb0.5)B6具有良好的损伤容忍度, 有望提高超高温陶瓷的韧性与延性。
硼化钇 超高温陶瓷 硼/碳热还原法 第一性原理计算 损伤容忍度 yttrium boride ultra-high temperature ceramics boron/carbon thermal reduction method first principle calculation damage tolerance
昆明理工大学物理与工程科学研究院/理学院，昆明 650500
二维材料因其纳米级尺寸、超凡的电子特性、出色的机械性能等，被视为下一代信息器件的理想材料。随着外延生长等自下而上制备方法以及材料计算方法的发展和提高，越来越多的体相非层状的二维材料被制备和发现。近年来在信息器件等领域具有应用潜力的体相非层状的二维铜族(11族)硫族化合物得到广泛关注，铜族元素位于化学元素周期表中的11族，主要包括铜、银和金等元素。本文综述了二维铜族硫族化合物的研究进展，以化学计量比为主线，将二维铜族硫族化合物分为MX单层(M=Cu,Ag,Au;X=O,S,Se,Te)、M2X单层以及其他化学计量比的铜族硫族化合物单层。从实验合成和理论模拟两个角度出发，对二维铜族硫族化合物原子结构、能带结构、电学特性等进行介绍。从现有的报道来看，体相非层状的新型二维铜族硫族化合物不仅包含半导体、金属等电子性质，还表现出拓扑、磁性等丰富的新奇物性，是一类值得关注的新型二维功能材料。
二维材料 铜族硫族化合物 体相非层状 电子结构 第一性原理计算 密度泛函理论 two-dimensional material group 11 chalcogenide non-layered bulk phase electronic structure first-principle calculation density functional theory
基于密度泛函理论，计算分析了CH3基团在含有过渡金属元素Ti、V、Ni、Mo的孕镶金刚石颗粒硬质合金基底表面的吸附能、Mulliken电荷分布、电荷密度差和态密度(density of states, DOS)等一系列性质，研究Ti、V、Ni、Mo对孕镶金刚石颗粒硬质合金基底化学气相沉积(chemical vapor deposition, CVD)金刚石涂层形核阶段的影响及其作用机理。计算结果表明：与CH3基团在WC表面及金刚石表面的吸附相比，Ti、V、Ni、Mo与C原子间有较强的弱相互作用，这使得其对CH3基团有更强的吸附能力(其中Ti>V>Mo>Ni)；吸附能力大小与各原子的价电子结构相关，含有Ti元素的表面对CH3的吸附最稳定；CH3基团与Ni原子间更易发生电荷的转移形成共价键，Mo有利于促进CH3基团的脱氢反应；形核阶段适当添加Ti、V、Ni、Mo这几种过渡金属元素将有利于增加形核密度，改善CVD金刚石膜基界面结合强度。
金刚石涂层 过渡金属 吸附 第一性原理计算 形核密度 化学气相沉积 diamond coating transition metal adsorption first-principle calculation nucleation density chemical vapor deposition
1 六盘水师范学院化学与材料工程学院,六盘水 553004
2 贵州省煤炭洁净利用重点实验室,六盘水 553004
3 贵州大学化学与化工学院,贵阳 550025
通过第一性原理计算,研究在CO或SO2存在下,廉价金属Fe掺杂六方氮化硼(Fe-BN)对N2O还原反应的催化性能。从吸附构型与电子性质分析,发现N2O在Fe-BN的表面自发解离,这是衬底和N2O之间大量电荷转移所致,对N2O的吸附能也远大于CO或SO2,将有利于反应的进行。计算CO、SO2和N2O与O*的反应能垒分别为0.52 eV、1.06 eV和2.61 eV,N2O的反应能垒最高,表明此反应不会发生。Fe-BN对反应产物CO2的吸附较弱,通过反应过程释放的能量便可完成解吸,而反应产物SO3则不能,可见CO作为还原剂更有利。由此得出,Fe-BN是还原N2O的高活性催化剂。本研究为低成本、高活性的基于廉价金属掺杂六方氮化硼催化剂的开发开辟了新的途径。
Fe掺杂 N2O还原 第一性原理计算 BN BN Fe-doped CO CO SO2 SO2 N2O reduction first-principle calculation
