第一性原理计算

摘要： 对二维锯齿型石墨烯纳米带进行双边的边缘修饰,构建了4种不同修饰类型的双面神结构。我们利用VASP对其能带结构进行计算,比较分析后得出其能带结构主要取决于边缘碳原子的杂化方式。此外,还通过计算得到的不同宽度锯齿型石墨烯纳米带的能带结构,发现改变宽度的影响十分有限。

摘要： 为了探索合成和稳定聚合氮形式的分子或晶体的途径,基于第一性原理计算提出了两种基于N_(4)分子合成高能量密度材料的方法:第一种方法是在单晶金属表面吸附N_(4)(T_(d))分子;第二种方法是利用结构搜索获取稳定的N_(4)相关结构。提出了P-43m-N_(4)、P_(4)/m-LiN_(4)和Amm2-G/N_(4)三种含有N_(4)分子的晶体,并计算了它们的能量密度、热力学和动力学稳定性以及电子结构性质。结果表明,在超高真空和低温条件下,N_(4)(T_(d))在金属表面可以通过失去T_(d)对称而稳定。AIMD模拟结果表明,它们在50GPa、50或300K下是稳定的。通过N_(4)与金属原子形成的配位键,聚合N_(4)可以在高压下合成,并在低温条件下稳定。

摘要： 采用高能球磨制备Ni−25%X(X=Fe,Co,Cu,摩尔分数)固溶体,然后将其掺杂于MgH_(2)体系中。与球磨纯MgH_(2)相比,MgH_(2)/Ni−25%X复合体系初始放氢温度降低近90°C,其中,Ni−25%Co固溶体呈最佳催化效果。球磨MgH_(2)/Ni−25%Co复合体系在300°C、10 min内可释放5.19%(质量分数)氢,而相同条件下,纯MgH_(2)仅释放1.78%(质量分数)氢;更为重要的是,放氢后MgH_(2)/Ni−25%Co复合体系在275°C、3 min内可吸收5.39%(质量分数)氢。MgH_(2)/Ni−25%Co体系优异的吸放氢动力学可归因于其在吸/放氢过程中原位形成Mg_(2)Ni(Co)化合物的催化作用。第一性原理计算表明,掺杂过渡金属原子后,Mg/MgH2体系吸放氢反应能垒显著降低,较好地解释了镍基固溶体催化改善MgH_(2)储氢性能的实验结果。

摘要： 以过渡金属为催化衬底的化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition,CVD)已经可以制备与机械剥离样品相媲美的石墨烯,是实现石墨烯工业应用的关键技术之一。原子尺度理论研究能够帮助我们深刻理解石墨烯生长机理,为实验现象提供合理的解释,并有可能成为将来实验设计的理论指导。本文从理论计算的角度,总结了各种金属衬底在石墨烯CVD生长过程中的各种作用与相应的机理,包括在催化碳源裂解、降低石墨烯成核密度等,催化加快石墨烯快速生长,修复石墨烯生长过程中产生的缺陷,控制外延生长石墨烯的晶格取向,以及在降温过程中石墨烯褶皱与金属表面台阶束的形成过程等。在本文最后,我们对当前石墨烯生长领域中亟需解决的理论问题进行了深入探讨与展望。

摘要： 具有单(纯)色上转换荧光发射特性的发光材料,有望在三维显示、照明、生物成像、促进植物生长以及提高太阳能电池光电转换效率等领域得到应用,受到研究人员的广泛关注.本研究通过玻璃热处理析晶的方法,在稀土离子Yb^(3+)/Er^(3+)共掺的氟硅酸盐玻璃中原位生长出了钙钛矿型的KMnF_(3)氟化物纳米晶体,并观测到了显著增强的高单色性上转换红色发光.采用具有高分辨率的透射电子显微测试分析技术和第一性原理计算相结合,研究了稀土离子在KMnF_(3)纳米晶复合微晶玻璃中的掺杂机制,并讨论了稀土离子微观分布和能量传递效应对其上转换发光性能的影响.实验结果表明:稀土离子将通过优先取代KMnF_(3)晶体中K^(+)格位的方式选择性富集在具有低声子能量的氟化物纳米晶体中,并由此获得显著增强的上转换发光强度.

摘要： 基于已有的试验数据和第一性原理计算结果(如相图试验信息、热力学性质试验数据等),运用Calphad方法与Thermo-Calc软件,重新优化了Cr-W、Cr-Mo和Cr-Ta体系的热力学参数和相图,优化的结果与试验数据及第一性原理计算结果吻合较好。该一系列热力学模型参数可以作为外推建立多组元Ni基合金热力学数据库的基础。

摘要： 采用确切的Muffin-Tin轨道结合相干势近似方法,本文系统计算研究了0 K下,磁无序及合金化效应影响Co_(2)CrZ(Z=Ga,Si,Ge)合金L2_(1)和DO_(22)相稳定性的规律性及物理机理.研究结果表明,0 K下,L2_(1)相合金晶格常数、体弹性模量、磁矩和弹性常数均与理论和实验值基本吻合;铁磁下合金具有L2_(1)结构,随磁无序度(y)的增大,L2_(1)相能量相对逐渐增大,最终由低于转变到高于D0_(22)相,因此,当y≥0.1(0.2)时,Z=Si和Ge(Z=Ga)的合金具有DO_(22)相稳定结构;随y的增大,L2_(1)相的四方剪切弹性模量(C’=(C_(11)-C_(12))/2)还不断软化,表明无论在能量还是力学角度上,磁无序都有利于3种合金发生四方晶格变形;磁无序影响L2_(1)和D0_(22)相相对稳定性的电子结构机理归因于Jahn-Teller不稳定性效应;对于L2_(1)相Co_(2)CrGa_(1-x)Si_(x)和Co_(2)CrGa_(1-x)Ge_(x)四元铁磁合金,随x的增大,总磁矩均按照Slater-Pauling定律单调增大,C’同时也都变硬,表明Si和Ge掺杂均有利于增强Co_(2)CrGa合金L2_(1)相的力学稳定性,从而抑制了其四方晶格变形的发生.

摘要： 基于密度泛函理论,计算分析了CH_(3)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CH_(3)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CH_(3)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CH_(3)的吸附最稳定;CH_(3)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CH_(3)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。

摘要： 由于SiC禁带宽度大,在金属/SiC接触界面难以形成较低的势垒,制备良好的欧姆接触是目前SiC器件研制中的关键技术难题,因此,研究如何降低金属/SiC接触界面的肖特基势垒高度(SBH)非常重要.本文基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,结合平均静电势和局域态密度计算方法,研究了石墨烯作为过渡层对不同金属(Ag,Ti,Cu,Pd,Ni,Pt)/SiC接触的SBH的影响.计算结果表明,单层石墨烯可使金属/SiC接触的SBH降低;当石墨烯为2层时,SBH进一步降低且Ni,Ti接触体系的SBH呈现负值,说明接触界面形成了良好的欧姆接触;当石墨烯层数继续增加,SBH不再有明显变化.通过分析接触界面的差分电荷密度以及局域态密度,SBH降低的机理可能主要是石墨烯C原子饱和了SiC表面的悬挂键并降低了金属诱生能隙态对界面的影响,并且接触界面的石墨烯及其与金属相互作用形成的混合相具有较低的功函数.此外,SiC/石墨烯界面形成的电偶极层也可能有助于势垒降低.

摘要： 研究压力下三元钍基硼碳化合物Th_(2)B_(2)C_(3)的力学和热力学性质。采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法。计算了其晶体结构随着压力的变化关系,拟合了Th_(2)B_(2)C_(3)的能量-体积和压力-体积的物态方程,给出了不同压力下弹性常数和弹性模量的变化规律,澄清了高温高压环境下Th_(2)B_(2)C_(3)的热力学参量随着温度和压力的变化关系。计算结果符合Grüneisen理论模型。

摘要： 本文综述第一性原理计算在可靠性物理中尤其是在新电子材料和纳米器件失效机理研究中的应用,包括对电子材料失效机理解释、失效过程模拟、缺陷影响分析、材料筛选、简单元器件的筛选和设计等.第一性原理计算在从微观尺度上研究新材料、纳米器件的失效机理和失效过程已发挥重要的作用,并通过对电子材料的筛选、设计以及简单元器件的设计为提高电子器件可靠性提供理论依据和指引.随着计算机技术的发展和与人工智能技术的结合,第一性原理计算将能更深刻地反映新电子材料和纳米器件失效机理和过程.

摘要： 作者通过透射电镜观察和第一性原理计算,研究了A1-Si-Cu-Mg合金时效过程中的组织变化.采用第一性原理赝势平面波法(CASTEP)对合金时效析出相θ″(A16Cu2)、θ′(A14Cu2)、Q′(A14Si7Mg8Cu2)的热稳定性进行了计算.计算结果表明:时效过程中Q′相先于θ″相析出;θ″相析出后,随着时间变化,转化成更稳定的θ′相.

摘要： Ge的本征吸收边在1900nm处,对波长小于1900nm的光有很强的吸收。在该吸收区域内,Ge的折射率既没有相关数据也没有理论做参考,光与Ge的相互作用也一直不为人们所知。通过以密度泛函为框架的第一性原理计算方法,Ge的能带和光学性质得到了计算。计算结果表明,局域密度近似下的带隙为0.571eV,比广义梯度近似下的带隙更接近实际.给Ge施加0到2GPa的压力,Ge的间接带隙会以4.29×10-2eV/GPa的速率直线增加,当入射光波长为1550nm时,折射率则会以5.903×10-2/GPa的速度直线下降。

摘要： 平面波赝势密度泛函方法是材料科学计算中最常用的方法,但是其CPU代码计算时间长并且扩展性差,限制了其在超级计算机上的绝对速度.本文综述了使用图形处理器加速第一性原理计算软件的发展,讨论了VASP (Vienna Ab-initio Simulation Package),Quantum Espresso,PEtot使用的不同的加速策略,提出了众核平台上平面波赝势方法并行机制的改进,最后展望了使用图形处理器求解第一性原理计算的挑战和前景.

摘要： 材料基因方法旨在于利用目前先进的理论计算方法,探索材料微观结构和宏观性能的内在关联,辅以实验数据的及时反馈,建立多组元材料物理化学性能数据库,为材料研究和系统设计提供更强并更为丰富的计算和分析能力,以期实现将材料研发时间缩短超过50％的目的.本研究利用热力学计算(CALPHAD)和第一性原理计算(ab inito),依托北京有色金属研究总院能源材料与技术研究所工程化开发平台,研究采用由低元到高元逐级进行合金设计的方案，基于第一性原理和热力学计算，得到了Ti-Zr,Ti-Zr-V,Ti-Zr-V-Fe基合金物相结构、吸氢容量、吸氢平衡压力等特性一与成分的关系，确定了多元合金的最佳成分范围，并进行了试验验证，在实际试验数据反馈的基础上，通过进一步优化设计，最终开发出了具有自主知识产权的高容量、高吸氢速率的新一代高性能钛基吸氢材料。

摘要： 基于电荷密度泛函理论在局域电荷密度近似或广义梯度近似的CASTEP软件包,可以根据给定晶胞棱边 长度的一个原胞求解Kohn-Sham方程,并算出相应的结合能,当结合能为最小值时,整个原胞的结构最为稳定,此时原胞的长度即为晶格常数.采用此方法计算了时效析出相Al2Cu的结合能和品格常数,计算的结果与 实验吻合度高.

摘要： 本文总结概括了基于密度泛函理论的第一性原理计算的理论基础与计算方法,重点阐述了材料计算在超硬材料领域中的研究现状,分类归纳了几种典型和重要的超硬材料体系,其中包括多种碳的同素异形体、硼基化合物、氮基化合物等等.大量的计算结果表明,多种新型材料的硬度指标已经超过立方氮化硼,十分接近金刚石,非常具有潜力成为新型的超硬材料.通过详细地介绍国内外材料计算在超硬材料研究中的最新进展,希望能够为将来的进一步计算研究,特别是具体合成制备实验提供理论基础帮助.

摘要： 本工作采用基于DFT的LAPW方法的WIEN2k程序,用自旋极化的电子结构计算研究了无掺杂情况下O空位和Sn空位,Fe掺杂、Fe与O空位共同掺杂、以及电子掺杂的多种体系SnO2稀磁半导体的电子结构和磁性.计算结果表明,无掺杂情况下,发现本征O空位缺陷不产生磁性,Sn空位缺陷产生磁性,其产生的磁矩高达4.0μB.无论是否具有O空位,Fe掺杂SnO2的基态都是铁磁态,计算结果表明O空位更容易出现在Fe原子周围.当只有Fe掺杂时,磁矩较小.引入O空位或电子掺杂后,磁矩变大一倍以上.在O空位或电子掺杂情况下,计算的磁超精细场和磁矩与穆斯堡尔谱测量结果相符合.电子结构分析表明掺杂Fe-3d轨道与氧八面体O-2p轨道相互作用,造成3d轨道能级分裂.不同体系下,能级分裂的程度不同,从而影响电子填充3d轨道的模式.3d轨道中未成对电子数增加,处于高自旋态的Fe原子,是产生巨磁矩的原因。

摘要： 基于第一性原理计算，我们研究了Klein型石墨带的电子结构和磁性质。结果表明：与zigzag边界诱导的反铁磁边缘态不同，Klein边界诱导的是铁磁边缘态。在Klein型石墨带中，Lieb定理不再适用。Klein边界上的碳原子不应当被看成是隶属于A或B点阵的体原子，而应看成是zigzag边界上吸附的碳原子。Zigzag边界上吸附的单个碳原子能破坏它附近的边缘态，直到zigzag短链的长度达到五倍晶格常数时，边缘态才能恢复。Klein边界会导致复杂的边缘重构。

摘要： Haynes230 合金是用于第四代超临界水冷反应堆系统(SCWR)热交换管的首选材料。最近在Haynes230 中发现了一种超点阵相——Ni2(Cr,W)，该超点阵能显著改善合金750°C蠕变性能。本工作利用基于密度泛函理论的第一性原理来计算不同W 含量的Ni2(Cr,W)超点阵的形成能，结合能及弹性常数，以此来研究W 含量对超点阵热稳定性和力学性能的影响。Ni2(Cr,W)是在Ni2Cr 超点阵的基础上，W 原子替代Cr 原子得到的。Ni2Cr 超点阵为体心正交结构，每个晶胞中有6个原子。Ni的伍科夫位置为4i(0,0,1/3)，Cr 为2a(0,0,0)。

摘要： 本发明涉及一种基于第一性原理的二次电子产额的计算方法，通过第一性原理的计算获取材料的能量损失函数和表面功函数，然后使用蒙特卡罗的模拟方法根据所述能量损失函数和表面功函数对材料内每个电子的每次散射碰撞过程进行跟踪，通过统计所有出射电子便可以获得材料的二次电子产额。本发明对二次电子的计算不过不再需要对实验数据的依赖，而材料相关的参数如果通过实验获得成本高昂，本发明打破了这种对瓶颈，同时并不采用实验测量二次电子发射系数的反推式拟合方法，具有很好的通用型和推广价值。

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。

摘要： 本申请公开了一种基于第一性原理计算的稀贵金属设计方法，该方法包括：S1确定基体相的最优结构及该结构下的晶格常数；S2选择第二相并确定其最优结构；S3计算基体相或所选第二相的进阶性质，进阶性质包括，第二相的形成焓、计算元素互换对所选结构稳定性的影响度和计算第二相与基体相间的界面能大小，通过进阶性质中形成焓和界面能大小选择稀贵金属中第二相，通过计算元素互换稳定性选择固溶强化的加入元素，有助于稀贵金属材料研发中略过大量的实验试错，避免不必要的资源浪费。

摘要： 本发明提供一种对钨酸钠熔盐体系团簇结构性质研究的第一性原理计算方法，所述第一性原理计算方法包括：以W原子、O原子和熔盐体系阴离子构建基础结构模型，将O原子逐渐替换熔盐体系阴离子得到替换前后的团簇结构，对所述团簇结构进行结构优化，通过键长和结合能，评估结构优化后所得到的收敛结构的实际稳定性。利用该方法能够通过第一性原理计算探索熔盐中钨离子团簇反应机制及存在形态，降低实验筛选操作的复杂性，大幅度地减少了传统实验方法人力物力的支出，缩短新材料的研发周期，具有很高的应用价值。

摘要： 本发明提供一种基于高通量第一性原理计算预测材料热电性质的方法，包括以下步骤：步骤1，对材料的初始晶体结构进行一次磁性测试计算，以便于获得材料的磁矩信息；步骤2，用共轭梯度算法或者拟牛顿算法对化合物进行结构优化计算，获得优化后的晶胞结构，接下来进行材料体积模量的计算、拟合，获得对应材料的体积模量信息，进而推导出材料的声速信息；步骤3，结构优化计算收敛之后进行材料的自洽计算，从而获得材料的电荷密度、总能量和磁矩。步骤4，基于步骤3算得的电荷密度，进行热电性质的计算。