第一性原理

摘要： 采用密度泛函理论分析了2-巯基苯并噻唑(MBT)、2-巯基苯基恶唑(MBO)和2-巯基苯基咪唑(MBI)三种螯合捕收剂的电子结构,系统地研究了分别取代N、O、S原子对捕收剂的性质的影响。研究结果表明:MBO费米能级附近主要由硫原子贡献组成,S_(1)、S_(2)原子具有较高活性,表现出更强的电子活性,说明MBO的捕收性和选择性比其他两种捕收剂的都强。通过前线轨道计算可知MBO与矿物的相互作用最强,其结果很好地解释了三种螯合捕收剂发生作用的差别。试验中三种螯合捕收剂浮选黄铜矿和黄铁矿时,MBO、MBT、MBI对黄铜矿的回收率依次为88%、63%、42%,对黄铁矿的回收率都小于20%,浮选回收率最好的药剂为MBO。因此取代O原子的捕收剂MBO对黄铜矿的选择性最好,捕收能力更强,浮选回收率也更高。研究结果为进一步认清黄铜矿和黄铁矿的可浮性差异及新药剂开发提供了理论指导参考。

摘要： 碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料的典型代表,是目前应用最理想的宽禁带半导体材料之一,在半导体照明、电子设备等领域具有广阔的应用前景。本工作通过基于密度泛函理论并考虑原子间范德华力相互作用的第一性原理,系统地研究了SiC沉积在表面完全氢化的BN衬底上形成的SiC/HBNH异质薄膜的原子结构和电学性质,并探索电场对其能隙的调控效果。研究结果表明,Si和C原子相对HBNH薄膜的位置将决定其结构稳定性及异质薄膜间相互作用的强弱程度,因此堆垛类型可有效调节SiC/HBNH异质薄膜的能隙,并且异质薄膜的导带底和价带顶分别由SiC、HBNH纳米薄膜来决定,可实现电子和空穴输运轨道的分离。当施加外电场时,SiC/HBNH异质薄膜能隙伴随电场强度的增加呈现出近似线性下降分布,会由直接能隙转变为间接能隙,甚至转变为导体,这主要是由电场增强异质薄膜间的相互作用引起的。该研究结果证实了堆垛类型和电场可有效调节SiC/HBNH异质薄膜的电学性质,降低电子和空穴的结合概率,为其应用于新型电子纳米器件提供重要的理论指导。

摘要： 采用浮选溶液化学理论结合第一性原理研究了高硅型异极矿硫化—胺类捕收剂浮选作用机理。研究表明,长链胺分子对异极矿回收率高于短链胺分子,直链胺分子的捕收能力优于同分子量的支链结构;矿浆pH值为11有利于异极矿与石英的分离,十八伯胺的适宜用量为1.25×10^(-4) mol/L;硫化钠可以显著提高异极矿回收率。溶液化学分析显示HS-是矿物表面活化作用的主要成分,且其浓度为(1.950~6.180)×10^(-3) mol/L时,矿物回收率均在85%以上。第一性原理计算表明HS-可以与异极矿表面Zn和O_(1)位点成键,但吸附作用不强;而十八伯胺与异极矿表面的吸附作用更弱,因此需要过量硫化才能有利于异极矿的浮选。

摘要： ZnGeP_(2)晶体在9~10μm的光学吸收限制了其在中远红外波段的应用,该波段吸收与其晶格振动有关。本文通过理论计算与实验相结合的方法,解释了晶体红外截止边和9μm附近吸收峰的物理机制。通过布里奇曼法生长出ZnGeP_(2)单晶,并测试生长得到的ZnGeP_(2)晶体的变温拉曼光谱和变压拉曼光谱,基于第一性原理方法计算了ZnGeP_(2)布里渊区中心的振动频率,并计算了不同压力下晶体的晶格常数和拉曼位移峰的位置。实验结果与理论计算结果表明:温度升高使得其振动模发生红移,且振动模强度减弱,半峰全宽变大,而压力增大则会引起ZnGeP_(2)晶体振动模发生蓝移,振动模强度减弱,半峰全宽变大。

摘要： 为分析单轴应力下硅晶体的电学性质,使用第一性原理方法分析了硅晶体在单轴拉伸以及单轴压缩条件下的强度及禁带宽度性质。计算了沿着[110][111][100]三个晶向的单轴压缩和拉伸强度,并在低于破坏强度的应力范围内,使用格林函数方法计算了不同单轴应力下硅晶体的禁带宽度。结果表明,理想晶体硅禁带宽度受单轴应力的影响变化明显,甚至可由单轴应力诱导产生半导体金属性质变化。文章研究结果将对硅技术在传感器等领域的应用提供重要的理论支持。

摘要： 采用第一性原理研究方法,构建了锂离子掺杂石墨的超晶胞模型,探究锂离子不同掺杂方式以及不同掺杂浓度对石墨结构稳定性和电子性质的影响。实验数据表明:插层掺杂后石墨的结合能为-1.637eV,结构体系稳定,且稳定程度随着锂离子浓度的增加而增大;取代掺杂后结合能为21.004 eV,结构体系不稳定。锂离子不同位点插层掺杂的石墨的能带带宽分别为3.671eV和3.654 eV,导电性能微弱提高;取代掺杂后的石墨能带带宽为0.951 eV,导电性能明显提高。石墨的能带带宽随着锂离子掺杂浓度的增加而减小,这表明电子从价带跃迁到导带更加容易,导电性能变得更好。

摘要： 随着信息学和数据科学工具的发展,各种计算机科学软件在材料模拟计算领域的应用不断增加.为了加速催化剂的筛选,开展了基于信息工具如何改善和增强材料筛选的研究,介绍一种基于第一性原理的高通量材料集成计算框架GASpy(Generalized Adsorption Simulator for Python).该框架支持计算任务的自动化流程管理,可以借助Fireworks调用DFT(Density Functional Theory)计算,并可以将运算结果以及中间步骤保存至MongoDB数据库.平台支持与不同高性能计算集群的动态绑定,支持大批量计算作业的生成、提交.平台同时支持数据的提取、自动存储.利用GASpy在天河一号上对材料网站上获取的晶体结构进行了实验测试,进行晶体结构优化并计算吸附能,结果表明结合各种信息学工具可以更加灵活高效地实现大规模自动化的DFT材料模拟计算,在模拟电催化领域有较好的应用前景.

摘要： 本文基于密度泛函理论的第一性原理方法,构建了Na-Ti共掺LiFePO_(4)的模型,并利用CASTEP模块计算了共掺体系的电子结构和弹性性质。计算结果表明,由于引入了杂质原子,共掺体系的晶胞参数略微增加,带隙由0.695 eV降低至0.473 eV,电子跃迁所需能量减小。并且锂离子迁移势垒由0.34 eV降低至0.25 eV,使得共掺后的结构导电性增强。弹性性质计算结果表明,共掺后结构的体积模量、剪切模量以及杨氏模量均有不同程度的下降,而计算的泊松比显示材料掺杂前后均为脆性,但共掺杂后的材料塑性强于未掺杂的材料,并且共掺后晶体的各向异性减弱,提高了LiFePO_(4)的延展性。

摘要： L1_(2)-Al_(3)Sc纳米析出相的热稳定性对于Al-Sc合金的耐热性意义重大.不同溶质原子在L1_(2)-Al_(3)Sc界面的偏析行为可能对Al-Sc合金中L1_(2)-Al_(3)Sc析出相的热稳定性造成影响.本文针对过渡族微合金化元素Cu和Ti的L1_(2)-Al_(3)Sc/Al界面偏析,开展第一性原理能量学计算研究.结果表明,Cu和Ti均倾向于以替换方式偏析在界面Al侧,但偏析驱动力和偏析占位有明显差异.在给定温度下,基体浓度对界面偏析量也有重要影响.基体浓度越高,偏析驱动力越大,界面平衡偏析量或最大界面覆盖率越大.温度为600 K、基体原子浓度为1%时,Ti对偏析界面的最大覆盖率可达80%(0.8单原子层),而Cu不超过4%(0.04单原子层).

摘要： 使用第一性原理研究了纯(5,5)单壁碳纳米管(SWCNTs)和掺杂(Si,Ge,Sn)SWCNTs的电子结构和光学性质。研究发现,与其他体系的带隙值相比,Sn掺杂体系的带隙值最小,为0.034 eV,该体系显示出了良好的半导体性能。差分电荷密度图显示掺杂后原子周围的局域性降低,说明碳原子与掺杂原子之间的键强度减弱。布居值分析表明Sn原子与C原子成键的共价性最弱。在吸收光谱中,掺杂体系的峰值均略有减小,并出现蓝移现象。此外,与未掺杂体系相比,Sn掺杂体系的吸收谱与反射谱峰值明显减小,这可允许更多的光通过涂层然后被太阳能电池吸收,使其作为增透膜材料在太阳能电池领域有广阔的应用前景。

摘要： 硫是地核中最受关注的轻元素组分之一.地核中的硫不仅改变着地核的密度、粘滞度、热导率等物理性质,而且还与地核中其他化学元素密切相关,因此有关地核温度、内核晶体结构、内核生长与外核对流等许多重要科学问题也与之紧密相联.依据宇宙化学、地球化学与地球物理观测,人们对地核中的硫浓度的估计不确定度非常大(0～13wt.％).本研究试图从硫在内外核分配的角度来给出新的约束.本研究所建立的第一性原理模拟预测元素分配系数的方法，具有精度高、可扩展性良好的特点，也可应用于地球化学与地球动力学的其他问题，将为地球与行星的演化模型提供重要约束。

摘要： Ni-Ti合金具有高阻尼、优异的生物相容性和良好的耐蚀性等性质,其广泛应用于土木、军事、医学及航天航空等领域.目前,科研工作者已针对Ni-Ti合金的力学性能、形状记忆效应以及相变行为展开了大量的实验和理论研究.Ni-Ti合金的整体性质与其中间相的性质息息相关.然而Ni-Ti合金中的一些中间相常会因温度、外力或元素扩散等原因而使其结构和性质发生变化,但很难通过实验直接给出其结构和性质的变化情况.因此,研究人员通过第一性原理计算对中间相的微观结构和性质进行了分析,并解释其变化机理,从而为镍钛合金的设计提供一定的理论依据.

摘要： 通过基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了铯原子在钨(110)表面上的吸附行为.计算结果表明,通过原子数之比定义的最大单层铯原子吸附率为0.4,铯原子的吸附位置随吸附率的增加而变化.铯原子吸附率为0.25时,最可能的吸附位置是长桥,而铯原子吸附率达0.4时,铯原子在钨(110)表面形成完整的单原子层,并呈现-ABA'B'-结构形式.随铯原子吸附率的增加,表面功函数先减小后增大,最终稳定在2.134eV,其中最小值1.524eV出现在吸附率为0.25时,该最小值低于纯铯(110)表面的功函数.偶极子模型和分态密度计算结果表明,铯原子向钨基体表面的电子转移机制和铯原子电子能量分布的变化是造成表面功函数降低的原因.

摘要： 具有NaC1晶体结构的碱土金属氧化物(MgO、CaO、BaO、SrO等),高温下稳定性好,广泛应用于环境、制药、多相催化以及微电子领域.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法系统研究了碱金属氧化物CaO结构(100)面、(110)面、(111)面的表面性质,分析了不同表面的表面能、态密度、功函数、电荷密度分布以及表面原子成键情况.研究发现,CaO结构(100)面的Ca-O电子云相互重叠程度高,存在强烈的杂化作用,为最稳定的表面.研究结果为深入了解CaO表面性质以及吸附CO2等小分子的吸附机理提供了理论指导.

摘要： 基于密度泛函理论的第一性原理方法为研究手段,以石墨烯/二硫化钼异质结构体系为研究对象,通过计算软件建模和理论计算,研究在零载荷和一定载荷的作用下该材料的纳米摩擦性能.研究发现该体系在发生相对滑移的过程中,零载荷的条件下摩擦状况属于低摩擦状态;而在一定载荷的条件下,摩擦系数基本稳定在0.001～0.002之间,摩擦状况达到理想的超润滑状态.

摘要： 钙是第四周期IIA族元素,属于活泼的碱土金属,是地幔、地壳和沉积物等地质储库的主要组成元素.钙易随着熔体和流体在地球的各个圈层迁移.钙有六个稳定同位素(40Ca,42Ca,43Ca,44Ca,46Ca,48Ca),是除了H和He以外具有最大同位素相对质量差异的元素.这预示着钙同位素在自然界中可能存在较大的分馏,可以用来示踪多种地质过程.同位素平衡分馏系数是稳定同位素地球化学的基础参数,准确估计含钙矿物间平衡分馏系数是准确解读同位素数据的前提.基于此进行研究，结果显示，热力学平衡时，矿物富集重钙同位素的顺序为碳酸钾钙＞石灰石＞萤石＞透闪石＞磷灰石＞硬石膏~榍石＞钙钛矿~钙黄长石＞钾闪石＞镁黄长石。晶体化学参数中平均Ca-O键长与1000lnβ有明显的负相关关系，这与前人重钙同位素一般富集在较短的成键环境中的结论一致,而配位数与分馏未见明显的相关关系。透闪石和钾闪石有着非常相似的晶体结构和接近的化学组成，1000K下两者的δ44/40Ca平衡分馏却可以达到0.22‰。这与他们较大的Ca-O平均键长差异一致，说明矿物成分的变化可以显著影响Ca-O键长，进而影响矿物对重钙同位素的富集程度。

摘要： 熔融是行星演化的重要进程,也是岩浆产生的必要条件.从地球早期岩浆洋的冷凝到现今地幔底部超低速区的起源等诸多重要问题都与地幔的熔融密切相关.岩石的熔融由组成岩石的各矿物的熔点约束,因此确定单组分地幔矿物的熔点是理解地幔岩熔融过程的前提.高压实验方法测量矿物的熔点极具挑战性.特别采用金刚石压腔和激光加热技术来测量熔点,由于加热不均、温度梯度大和是否发生熔化的判别难等原因,实验得到的数据具有很大的不确定性,不同研究者对同一种矿物的熔点数值的报道存在很大争议.计算模拟手段是实验的有力补充.

摘要： 在含水矿物中，氢从低压下的轻基形式(-OH)转变为高压下的对称性的O-H-O形式，在高温高压下转变为超离子态。超离子态氢的存在将对下地幔以及核幔边界处的质子扩散系数、电导率、磁场产生影响。并且，由于这种超离子态氢拥有类似液体的特性，这将导致下地幔氢同位素的均匀分部。

摘要： 地球内部是一个复杂的高温高压系统,了解地球内部的物质组成以及物理化学性质对认识地球的结构、地震波速度以及动力学过程有着非常重要的作用.其中石榴子石是组成地球地壳、上地幔和过渡带的重要组成矿物之一.在地幔岩模型中,上地幔由60％的橄榄石、15％的石榴子石以及25％的辉石组成,并随着深度的增加,辉石融入进石榴子石中,其体积分数可逐渐在过渡带增至40％左右.而在榴辉岩模型中,石榴子石的比例成分更大,其体积分数由上地幔顶部地区的30％增加到过渡带的约90％以上.因此,了解石榴子石和其各个端元矿物的热力学和弹力性质对理解上地幔和过渡带的成分、结构以及动力学过程有着至关重要的作用.

摘要： 本文系统回顾了Al-Cu-Mg合金的发展,介绍了Ω相提高铝合金的高温强度的重要作用,系统总结了合金元素对Ω相析出影响.在此基础上,介绍了第一性原理和相图计算软件在对Al-Cu-Mg合金Ω析出相研究中的应用,并对未来该合金Ω析出相的研究进行展望.

摘要： 一种基于第一性原理设计金属离子掺杂改善银与氧化锡润湿性的方法，涉及一种改善银与氧化锡润湿性的方法。本发明是要解决目前电接触材料Ag/SnO

摘要： 一种基于第一性原理设计金属离子掺杂改善银与氧化锡润湿性的方法，涉及一种改善银与氧化锡润湿性的方法。本发明是要解决目前电接触材料Ag/SnO2中Ag与SnO2之间的润湿性较差的技术问题。本发明提出采用第一性原理计算，可从原子尺度、基于元素特性和晶体结构，计算氧化锡与银界面的结合强度，并对元素间的电子轨道杂化，电荷转移等进行定量分析，从而获得金属离子掺杂改善氧化锡与银界面结合的机理。金属银易失电子，而当低价金属离子掺杂时会将氧化锡转变为P型半导体，以空穴作为载流子，而空穴载流子将与来自Ag的电子配对，在表层产生更大的电荷转移，从而形成更强的Ag‑O键，最终提高Ag与SnO2的界面润湿性。

摘要： 本发明公开了无序性铁基合金磁性调控机理理论研究的第一性原理方法，属于电子学器件技术领域，该第一性原理方法具体步骤如下：步骤一：建立两类Fe基超晶胞模型；步骤二：进行结构优化，找到最稳定的构型；步骤三：进行基态计算，计算出基态的电子性质和基本磁性；步骤四：进行Bader电子计算、电子态密度占据情况与饱和磁感应强度等磁性的计算；步骤五：统计分析两类Fe基超晶胞模型的结构特征；本发明通过DFT理论研究方法，得到了提高软磁材料Fe基合金饱和磁化强度的方法，使其一方面可以应用于电力工业，如变压器、继电器、电缆等；另一方面可以应用于电子工业，如加速器高频加速腔、磁性基片、磁敏元件等。

摘要： 一种基于第一性原理设计合金化改善铜抗氧化性的方法，涉及一种改善铜抗氧化性的方法。本发明是要解决目前铜电接触材料中铜抗氧化性较差的技术问题。本发明提出采用第一性原理计算，可从原子尺度、基于元素特性和晶体结构，计算铜氧化的基本过程，界面的结合强度，并对元素间的布居，电荷转移等进行定量分析，从而获得合金元素掺杂改善铜氧化的机理。金属铜易与氧结合形成氧化物，而当合金元素掺杂时会优先与氧成键，从而形成更强的氧化物，阻碍了铜与氧的结合，最终提高铜的抗氧化性。铜合金抗氧化性的关键是表明添加合金元素优先形成氧化物。

摘要： 本发明涉及一种制备微米锡铋合金与第一性原理计算的方法。通过还原亚锡离子和铋离子，用浓碱溶液维持碱性环境，使硼氢化钠发挥最大的还原性，在冰盐浴的条件下通入氮气，防止氧化，得到纳米单质锡、铋颗粒。再进行热处理，生成锡铋合金，通过沉降分级的方法得到微米锡铋合金。本发明通过第一性原理计算的方法预测锡铋合金的晶型，来确定所需材料的种类和含量。本发明是采用氯化亚锡和硝酸铋制备锡铋合金。本发明采用的还原剂为硼氢化钠，在低温无活性氢的情况下具有最佳还原性。本发明所选用提纯方法为沉降分级法，根据大小不同，在液体中的沉降速度不同，筛选微米级锡铋合金。

摘要： 一种基于第一性原理计算设计通过低价金属离子掺杂限制金属氧化物团聚的方法，涉及一种通过金属离子掺杂限制金属氧化物团聚的方法。本发明是要解决现有的氧化物团聚的技术问题。本发明提出采用的第一性原理计算，可从原子尺度，基于元素特性和晶体结构，计算氧化物表面对羟基的吸附能力。并对元素间的电子轨道杂化，电荷转移等进行定量分析，从而揭示金属离子掺杂改性氧化物吸附羟基的机理，设计可调控氧化物团聚特性的金属离子掺杂成分。

摘要： 本发明公开了一种基于第一性原理有关熔石英激光损伤的检测方法，属于光学材料表面损伤检测技术领域，解决现有技术无法从电子层面解释含杂质的熔石英元件激光损伤情况，从而无法评估含杂质的熔石英元件的使用寿命的问题。本发明基于第一原理建立纯熔石英结构模型和含杂质的熔石英结构模型；基于第一原理、纯熔石英结构模型和含杂质的熔石英结构模型计算其电子信息；对含杂质的熔石英结构模型进行激光辐照模拟，模拟后再次基于第一原理计算含杂质的熔石英结构模型的电子信息；基于第一原理计算激光辐照前后含杂质的熔石英结构模型的宏观热物性参数，最后对含杂质的熔石英进行激光损伤判断。本发明用于熔石英激光损伤的检测。

摘要： 本文为研究Al/Cr元素含量的最优配比，采用Materials Studio构建了Ti3Al1‑xCrxN(x=0、0.125、0.25、0.375、0.5、0.625、0.75、0.875、1)的模型。基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，分析了Ti3Al1‑xCrxN晶格常数、弹性性质和德拜温度。结果表明：随着Cr元素含量的增多总能量逐渐减小，结构均可以稳定存在；在Cr原子比例为0.625时，晶格畸变导致晶格常数变大。在弹性性质方面，Ti3Al0.625Cr0.375N和Ti3Al0.125Cr0.875N在硬度、抵抗外力能力、刚度和韧性等方面表现最优异，且Ti3Al0.125Cr0.875N>Ti3Al0.625Cr0.375N。在德拜温度方面，Ti3Al0.75Cr0.25N、Ti3Al0.625Cr0.375N、Ti3Al0.25Cr0.75N和Ti3Al0.125Cr0.875N具有较高的德拜温度，具有良好的热力学稳定性。经过本文的计算，Ti3Al0.125Cr0.875N即(Al/Cr=1：7)所表现的综合性能最优异。

摘要： 本发明涉及一种基于第一性原理计算的异质结材料构建和表征方法，包括步骤S1：获取标准的晶体结构文件；步骤S2：利用MS软件对所获取的晶体结构进行异质结的初步构建并借助VESTA软件将结构数据文件类型转为.vasp文件格式；步骤S3：通过PAW平面波赝势文件获取原子特性信息，对初步构建的异质结进行第一性原理结构优化计算；步骤S4：利用VESTA软件将优化后得到的晶体结构进行可视化分析晶界处的成键情况以及键长大小；步骤S5：进行第一性原理能带计算，继而改变约束条件进行光学性质计算，即表征异质结晶体的电学以及光学性能。本发明实现了不同晶系的多层异质结晶体材料的构建，并且利用第一性原理方法对其进行表征，可以通过表征来分析材料的性能。

摘要： 本发明公开一种基于第一性原理计算设计精确硼掺杂石墨烯的方法。本发明采用自下而上的构建思路，利用特定的前驱体构建了一种新型二维硼掺杂石墨烯的理论模型。接着利用第一性原理计算分析了其在动力学上的稳定性，以及其电子结构性质。结果显示，声子谱未出现虚频，证明了结构的动力学稳定性。相比于传统异质原子掺杂石墨烯，本发明所述的新型硼掺石墨烯设计方法满足硼元素掺杂浓度与位点高度可控，且具有实验合成前景，能适用于不同纳米材料结构的设计，同时新型二维结构的半金属特性，预示了其在电极材料等领域的应用潜力，为石墨烯功能化提供了新的路径。