1 广西大学工程防灾与结构安全教育部重点实验室, 南宁 530004
2 广西大学广西防灾减灾与工程安全重点实验室,南宁 530004
3 广西大学资源环境与材料学院, 南宁 530004
为了揭示Cl?傆b、SO42?傆b作用下混凝土中钢筋腐蚀机理的差异, 并为氯盐和硫酸盐侵蚀下混凝土的抗腐蚀调控提供理论基础, 研究了Cl?傆b、SO42?傆b侵蚀下混凝土孔溶液中钢筋的电化学行为差异, 并利用基于第一性原理的密度泛函理论研究了腐蚀性物质(Cl?傆b、SO42?傆b)和致钝物质(CaOH+、OH?傆b)在Fe(100)表面的竞争吸附。结果表明: 相较于含Cl?傆b的混凝土孔溶液, 钢筋在含SO42?傆b的混凝土孔溶液中的腐蚀电位和极化电阻均更低, 更易发生腐蚀; SO42?傆b对OH?傆b与铁表面反应的抑制作用略强于Cl?傆b; SO42?傆b既可促使CaOH+中Ca-OH键伸长, 又可阻碍CaOH+中OH基团与表面Fe原子间的作用, 其对CaOH+与铁表面反应的抑制作用明显强于Cl?傆b。
氯离子 硫酸根离子 混凝土 钢筋 腐蚀机理 第一性原理 chloride ion sulphate ion concrete steel reinforcement corrosion mechanism first-principle
采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 研究了硫(S)掺杂、硒(Se)掺杂以及硫硒共掺杂金刚石基底对化学气相沉积金刚石涂层时的不同活性基团的吸附生长过程, 计算分析了三种不同基底对沉积气氛中不同碳氢基团(C、CH、CH2、CH3)的吸附能、Mulliken电荷分布和化学键重叠布居数等性质。计算结果表明: 硫掺杂模型与C、CH和CH2之间, 硒掺杂模型与C、CH基团之间, 硫硒共掺杂模型与C、CH和CH2之间都通过电荷转移形成了共价键, 硫掺杂模型与CH基团以及硫硒共掺杂模型与C基团之间的成键很接近理想金刚石的C—C键, 添加硫元素和硒元素可以在原有的金刚石颗粒同质外延生长的基础上增加更多生长活性位点。
金刚石涂层 硫 硒 第一性原理 掺杂基底 吸附生长 化学气相沉积 diamond coating S Se first-principle doped substrate adsorption growth chemical vapor deposition
本文主要研究了二维Janus型铬硫化物［Janus CrXY (X/Y=S, Se, Te)］的电子、压电性质。结果表明Janus CrXY是优良的半导体材料, 其带隙宽度为0.27~0.83 eV, x轴方向的应变调控对带隙影响较大, 而z轴方向的应变调控对带隙影响很小, 说明该体系电子特性在z轴方向具有良好的稳定性。通过密度泛函微扰法对体系的压电特性进行研究, 结果表明, 三种材料均具有较大的面外压电系数d33, 特别是CrSeTe的d33可达56.89 pm/V, 约是常用压电材料AlN(d33=5.60 pm/V)的10倍。本研究可为二维Janus CrXY在柔性智能纳米领域的实际应用提供理论支撑。
二维材料 Janus CrXY材料 密度泛函理论 第一性原理 电子特性 压电特性 two-dimensional material Janus CrXY material density functional theory first principle electronic property piezoelectric property
1 上海航天电子技术研究所, 上海 201109
2 西北工业大学凝固技术国家重点实验室, 西安 710072
Hg3In2Te6(简称MIT)是Ⅱ-Ⅵ/Ⅲ-Ⅵ族化合物半导体Hg(3-3x)In2xTe3中x=0.5时对应的稳定相。本文采用第一性原理方法, 系统地探究了Au在MIT中的稳定性和掺杂效率。计算结果表明: Au-Te键具有与Hg-Te相似的极性共价键特性, 表明Au在MIT中具有一定掺杂稳定性。此外, 发现Au在MIT中存在两性掺杂特性: Au在AuHg和AuIn体系中表现受主特性, Au-5d电子轨道分别在价带顶和-4 eV位置与Te-5p电子轨道形成共振, 形成受主杂质能级; 而Au在AuTe和AuI体系中表现施主特性, Au-5d与Hg-6s、In-5s电子轨道在导带底产生共振, 形成施主杂质能级。富Hg条件下, AuI、AuTe与AuHg之间会产生自我补偿效应, 费米能级被钉扎在价带顶, 而富Te条件下, 上述自我补偿效应将会得到有效消除。
掺杂 结构弛豫 自我补偿效应 杂质能级 第一性原理 MIT MIT doping structural relaxation self-compensation effect defect level first-principle
1 海南电网有限责任公司电力科学研究院，海口 570311
2 海南省电网理化分析重点实验室，海口 570311
3 华北电力大学，保定 071003
本文基于第一性原理探讨了Ru掺杂的单层MoS2 (Ru-MoS2)的结构及其对SF6绝缘设备中的两种主要分解气体SO2F2和H2S的传感和吸附行为。Ru原子进入硫空位从而产生Ru-MoS2，结果表明，Ru-MoS2对SO2F2和H2S气体的吸附能(Ead)分别为-1.52和-2.11 eV，属于化学吸附。通过能带分析(BS)和态密度(DOS)分析进一步证明了两个体系的吸附性能，并阐述了Ru-MoS2用于电阻式气体传感器时的气体吸附传感机制。除此之外，本文在理论上探索了不同温度下Ru-MoS2解吸附SO2F2和H2S的恢复时间，在598 K温度下，SO2F2吸附体系的恢复时间为6.40 s，展示出该新型材料在高温下对气体的可恢复性。本文研究内容为Ru-MoS2检测SF6绝缘设备中的两种主要分解气体SO2F2和H2S提供理论基础，从而促进电力系统的稳定运行。
第一性原理 SF6分解气体 气体传感器 吸附 传感 Ru-MoS2 Ru-MoS2 first-principle SF6 decomposition gas gas sensor adsorption sensing
二维WS2是一种层状过渡金属硫化物，因其具有特殊的层状结构、可调带隙及稳定的物理化学性质而备受关注。结合玻尔兹曼输运方程(BTE)和密度泛函理论(DFT)，利用第一性原理研究了单层WS2声子的输运特性，分析了声子的谐性效应和非谐性效应对WS2晶格热导率的影响机理，计算了其声子的临界平均自由程，提出通过调整阻断频率的方法来调控WS2的晶格热导率。研究结果表明：单层WS2在300 K时的本征晶格热导率为149.12 W/(m·K)，且随温度的升高而降低；从各声子支对总热导率的贡献来看，声学声子支起主要作用，特别是纵向声学(longitudinal acoustic, LA)声子支对单层WS2热导率的贡献百分比最大(44.28%)；单层WS2声学声子支和光学声子支之间的较大带隙(声光学声子支之间无散射)导致其具有较高的晶格热导率。本文研究可为基于单层WS2纳米电子器件的设计和改进提供借鉴和理论指导。
层状过渡金属硫化物 声子 热输运特性 第一性原理 谐性效应 晶格热导率 WS2 WS2 layered transition metal sulfide phonon thermal transport property first-principle harmonic effect lattice thermal conductivity
1 滇西科技师范学院数理学院，临沧 677000
2 西南大学材料与能源学院，重庆 400715
本文基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法计算了z-BC2N和z-B2CN的4种晶体结构的电子结构、硬度和光学性质。结果表明，z-BC2N(2)为直接带隙半导体，其禁带宽度2.449 eV，z-BC2N(1)为间接宽带隙半导体，其禁带宽度为3.381 eV，而z-B2CN(1)和z-B2CN(2)为导体；硬度结果显示z-BC2N(1)、z-BC2N(2)和z-B2CN(1)为超硬材料。最后通过计算z-BC2N基本光学函数与光子能量的关系表征了其光学性质。分析结果表明，z-BC2N结构可以用作良好的耐磨材料和窗口耐热材料。
超硬材料 电子结构 硬度 光学性质 第一性原理 superhard material electronic structure hardness optical property first-principle
1 成都师范学院物理与工程技术学院，成都 611130
2 西华师范大学物理与空间科学学院，南充 637002
3 成都信息工程大学光电工程学院，成都 610225
4 四川大学水利水电学院，成都 610065
基于第一性原理的方法研究了本征α-Bi2O3、La掺杂、氧空位掺杂和共掺杂体系的电子结构与光学性质，以期获得性能比较优异的α-Bi2O3光催化材料。研究结果表明：掺杂后，体系结构变形较小，其中氧空位（VO）掺杂和La-VO共掺杂体系的禁带宽度价带和导带同时下移且在禁带中引入杂质能级，说明掺杂可以减小电子从价带激发到导带所需能量，有利于电子的跃迁。特别是相对于氧空位单掺杂，La-VO共掺杂使杂质能级向导带底靠近，这个倾向可能使该复合缺陷成为光生电子捕获中心的概率大于成为光生电子-空穴对复合中心的概率；同时，La-VO共掺杂导致导带底附近的能带弯曲的曲率增大即色散关系增强，从而降低了电子的有效质量，加速电子的运动，因此，La-VO共掺杂能大幅改善光生电子-空穴对的有效分离。另一方面La-VO共掺杂在显著扩展可见光吸收范围的同时，还极大地增强了可见光吸收强度。因此，La-VO共掺杂有效改善了α-Bi2O3的光催化活性。本研究为利用稀土离子掺杂改善其他光催化材料的性能提供了一个新的思路。
光催化材料 La-VO共掺杂 氧空位 电子结构 光学性质 第一性原理 α-Bi2O3 α-Bi2O3 photocatalytic material La-VO co-doping oxygen vacancy electronic structure optical property first-principle
1 陕西科技大学材料原子·分子科学研究所，西安 710021
2 西安电子科技大学，宽禁带半导体材料教育部重点实验室，西安 710071
3 西北大学信息科学与技术学院，西安 710127
4 太原理工大学，新材料界面科学与工程教育部重点实验室，太原 030024
铟(In)原子替位位置对开发新型正交GaN的储氢材料具有重要意义。当前关于In原子替位位置对正交GaN材料的影响研究相对薄弱。本文基于第一性原理研究了不同In原子替位位置下InGaN材料的形成能、电子结构、弹性特性和力学稳定性。结果表明，通常情况下间隔三个原子的In原子替位位置的形成能最小且该体系最易形成。在相同的掺杂情况下，该结构的InGaN材料也具有较大的带隙宽度以及较小的弹性模量、体积模量、剪切模量与弹性模量，这意味着其抗压能力、抗剪切应力的能力较弱，韧性以及硬度较低。此外，声子谱计算结果表明，间隔三个原子的InGaN材料在环境压力下也具有良好的力学稳定性。本研究为正交GaN的新型储氢超材料的研究提供了理论依据。
正交GaN In掺杂 形成能 电子结构 弹性和弹性各向异性 第一性原理 密度泛函理论 储氢材料 orthorhombic GaN In doping formation energy electronic structure elastic and elastic anisotropy first-principle density functional theory hydrogen storage material
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
