Author Affiliations
Abstract
1 Institute of Materials Science, University of Connecticut, Storrs, CT 06269, USA
2 School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332, USA
3 Department of Electrical and Computer Engineering, University of Connecticut, Storrs, CT 06269, USA
Flexible dielectric polymers that can withstand high electric field and simultaneously have high dielectric constant are desired for high-density energy storage. Here, we systematically investigated the impact of oxygen-containing ether and carbonyl groups in the backbone structure on dielectric properties of a series of cyclic olefin. In comparison to the influence of the –CF3 pendant groups that had more impact on the dielectric constant rather than the band gap, the change of the backbone structure affected both the dielectric constant and band gaps. The one polymer with ether and carbonyl groups in the backbone has the largest band gap and highest discharge efficiency, while it has the lowest dielectric constant. The polymer without any ether groups in the backbone has the smallest band gap and lowest discharge efficiency, but it has the highest dielectric constant. Polymers that have no dipolar relaxation exhibit an inversely correlated dielectric constant and band gap. Enhancing the dipolar relaxation through rational molecular structure design can be a novel way to break through the exclusive constraint of dielectric constant and band gap for high-density energy storage.
Polymer dielectric band gap glass transition conduction energy density DFT Journal of Advanced Dielectrics
2023, 13(4): 2341005
1 南京邮电大学 自动化学院, 南京 210023
2 南京邮电大学 集成电路科学与工程学院, 南京 210023
室温下石墨烯具有较大的分子吸附比表面积、低噪声、高载流子迁移率等优异电学性能,是一种性能极佳的传感材料。与传统无机氧化物气体传感器相比,石墨烯气体传感器具有工作温度低、能耗小、恢复性高的优点。文章对两种石墨烯气体传感器的研究进展进行了综述。首先根据气体选择性不同,研究了NO2和NH3两种石墨烯气体传感器。然后对它们的灵敏度、气体响应灵敏度、响应时间等特性进行了分析对比。该项分析研究工作对气体传感器的实际应用与推广具有一定参考价值。
石墨烯 气体传感器 吸附能 响应时间 graphene gas sensor adsorption energy response time DFT DFT
1 南京晓庄学院电子工程学院, 江苏 南京 211171
2 南京市产品质量监督检验院, 江苏 南京 210019
3 南京林业大学信息科学技术学院, 江苏 南京 210037
自新冠肺炎(COVID-19)疫情爆发以来, 国内外多家研究机构和企业都在加快推进新冠病毒(SARS-CoV-2)抗体药物的研发。 药物多晶型限制了有效药物的研发进度。 药物生产、 存储和使用环境影响了药物的稳定性。 红外光谱作为一种快速无损检测手段, 可从振动光谱反映出药物结构、 晶型甚至生产工艺上的差异大大提高了研发效率。 首次以三种临床试验被认为治疗新冠肺炎有效药物: 磷酸氯喹, 利巴韦林和盐酸阿比多尔为例, 利用傅里叶红外光谱仪测试得到它们在远红外(1~10 THz)和中红外(400~4 000 cm-1)波段的振动光谱。 远红外光谱中, 利巴韦林的特征峰位于: 2.01, 2.68, 3.37, 4.05, 4.83, 5.45, 5.92, 6.42和7.14 THz附近; 磷酸氯喹的特征峰位于: 1.26, 1.87, 2.37, 3.06, 3.78, 5.09和6.06 THz附近; 盐酸阿比多尔的特征峰位于: 2.24, 3.14, 3.72, 4.25和5.38 THz附近。 结合密度函理论, 选择B3LYP杂化泛函和6-311++G(d,p)基组, 利用Crystal14和Gaussian16软件分析了光谱中所有特征峰对应的振动模式, 实现了对振动光谱的精确指认。 远红外波段, 振动模式源自分子的集体振动。 中红外波段, 2 800 cm-1以下, 振动模式主要源自基团的面内外弯曲和摇摆; 2 800 cm-1以上, 振动模式过渡为C—H, O—H和N—H键的面内伸缩。 以考虑了周期性边界条件的晶体结构作为理论计算的初始构型, 会让理论光谱与实验光谱更加吻合, 尤其是在远红外波段和中红外400~1 000 cm-1的低频段。 该研究对深入理解磷酸氯喹, 利巴韦林和盐酸阿比多尔等抗病毒药物的药学特性, 药物间相互作用, 控制药物生产过程, 指导药物存储和使用有重大意义。
抗病毒药物 振动模式 FTIR COVID-19 Antiviral drugs DFT Vibrational modes FTIR COVID-19 DFT 光谱学与光谱分析
2022, 42(7): 2047
武汉工程大学光学信息与模式识别湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430205
还原态烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)在维持细胞生长、 分化、 能量代谢以及细胞保护方面起着非常重要的作用, NADH的无创在体检测具有非常重要的意义。 运用激光拉曼散射实验和密度泛函理论(DFT)计算研究了200~3 300 cm-1光谱范围内NADH分子的振动模式特性。 DFT计算采用了B3LYP杂化方法, 并选用了极化6-311+G(d,p)基组。 为了准确的分析NADH分子的振动模式和频率, 首先运用B3LYP/6-311+G(d,p)理论对NADH分子的基态结构进行了几何优化, 并计算了基态结构NADH分子的各个键长和键角。 同时考虑到DFT计算中的非谐性, 运用波数线性标度方法对所有计算所得振动模式波数重新进行了标度。 重新标度后, DFT计算所得的振动模式波数与激光拉曼散射实验观测到的拉曼峰波数吻合的很好: 在200~3 300 cm-1整个光谱范围内, 计算与实验结果具有非常好的线性相关性, 而且大部分振动模式的计算与实验之间的偏差都小于5 cm-1。 此外, 讨论了实验观察所得拉曼光谱的分子振动模式归属, 分析了NADH分子中腺嘌呤、 烟酰胺、 及二核苷酸的特征振动模式, 并初步提出了运用拉曼光谱实现NADH快速准确无创在体检测的方法。 位于732 cm-1处的拉曼峰是腺嘌呤的特征振动模式, 而且可以选为检测NADH分子的最特征拉曼峰。 位于1 690 cm-1处的拉曼峰是烟酰胺的特征振动模式, 可以选为进一步准确检测NADH分子的另一个特征拉曼峰。 位于1 086和1 339 cm-1两处拉曼峰的组合可以作为二核苷酸的特征振动模式, 用于进一步更准确的检测NADH分子。 所以在运用拉曼光谱法实现NADH快速准确无创在体检测时, 可以首先运用位于732 cm-1处NADH分子的最特征振动模式进行快速检测, 然后再运用位于1 690 cm-1及1 086和1 339 cm-1组合等特征振动模式进行准确分析。
拉曼光谱 Raman spectroscopy DFT NADH DFT NADH 光谱学与光谱分析
2022, 42(6): 1679
1 同济大学环境科学与工程学院, 上海 200092
2 上海市环境科学研究院, 上海 200233
3 华太极光光电技术有限公司, 上海 200093
采用太赫兹时域光谱技术测量了 3,4-二氯苯胺和 2,5-二氯苯胺在 0.2~2 THz波段的吸收谱, 3,4-二氯苯胺在 1.00 THz,1.48 THz,1.88 THz处有 3个吸收峰, 2,5-二氯苯胺在 0.83 THz, 1.04 THz,1.17 THz处有 3个吸收峰, 吸收峰峰位强度也有明显不同。采用密度泛函理论进行理论光谱计算, 理论光谱与实测光谱一致性良好。结果表明通过太赫兹时域光谱技术可以实现 3,4-二氯苯胺和 2,5-二氯苯胺 2种同分异构体的指纹检测, 为太赫兹波段有明显特征吸收峰的毒性物质检测提供了一种快速、准确的方法。
太赫兹时域光谱 同分异构体 二氯苯胺 密度泛函理论(DFT) terahertz time-domain spectroscopy isomer dichloroaniline Density Functional Theory 太赫兹科学与电子信息学报
2022, 20(5): 438
南京邮电大学 电子与光学工程学院、 微电子学院, 南京 210023
室温下石墨烯具有电子迁移率高、比表面积大、机械强度高、化学稳定性和热稳定性优异、导电性好等独特性能, 是当今最受关注的二维材料之一。与传统无机氧化物材料相比, 石墨烯气体传感器具有工作温度低、能耗小、恢复性高的优点。文章对两种石墨烯气体传感器的研究进展进行了综述。根据气体选择性不同, 将石墨烯气体传感器分为检测CO和CO2气体传感器。分别对其灵敏度、气体响应灵敏度和响应时间等特性进行分析对比。此研究对此类传感器的应用与推广具有一定的指导意义。
石墨烯 气体传感器 吸附能 响应时间 graphene gas sensor adsorption energy response time DFT DFT
1 中北大学仪器与电子学院, 太原 030051
2 中北大学前沿交叉科学研究院, 太原 030051
化学气相沉积法生长的单层石墨烯具有卓越的力学、热学和电学特性, 成为新一代纳米器件的首选材料。对石墨烯电子特性的理论研究有利于推动纳米器件的发展与应用。本文基于密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的方法, 系统地研究了石墨烯及石墨烯/氮化硼的电子结构特性。结果表明, 在高对称K点, 带隙为零。在50~400 K范围内, 由于费米面的电声子散射作用, 单层石墨烯的迁移率随着温度增加呈现显著下降趋势。此外, 通过对不同层间距的石墨烯/氮化硼结构的能带、态密度、电子密度等特性分析, 发现随着层间距增加, 能带间隙减小, 导带与价带间的能量差减小。随着原子个数的增加, 石墨烯/氮化硼超胞结构与原胞结构的带隙开度变化规律一致, 这对石墨烯基器件的结构设计具有一定的指导意义。
石墨烯 氮化硼 密度泛函理论 化学气相沉积 迁移率 层间耦合 电子结构 二维材料 graphene BN DFT chemical vapor deposition mobility interlayer coupling electronic structure two dimensional material
1 中国科学院重庆绿色智能技术研究院, 重庆 400714
2 中国科学院大学重庆学院, 重庆 400714
3 重庆邮电大学光电工程学院, 重庆 400065
锡二硫族化合物可以通过改变硫和硒的含量来连续调控三元合金材料的带隙、载流子浓度等物理化学性质, 在电子和光电子器件应用上具有巨大的潜力。本文采用化学气相沉积(CVD)技术可控地制备了不同元素组分的SnSxSe2-x(x=0, 0.2, 0.5, 0.8, 1.0, 1.2, 1.5, 1.8, 2.0)单晶纳米片。采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、能量色散X射线光谱(EDS)、透射电子显微镜(TEM)以及拉曼光谱等手段对SnSxSe2-x纳米片进行了综合表征。结果表明本方法成功实现了元素百分比可调的SnSxSe2-x单晶纳米片的可控制备。重点研究了依赖于元素百分比的SnSxSe2-x的拉曼特征谱, 实验结果与基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算得到的SnSxSe2-x的拉曼仿真谱高度吻合, 理论计算结果较好地诠释了实验拉曼光谱发生变化的原因。本研究提供了一种元素百分比可调的三元SnSxSe2-x单晶纳米片的可控制备方法,同时对锡二硫族化合物的明确、无损识别提供了方案。
化学气相沉积 单晶 纳米片 拉曼光谱 第一性原理 密度泛函理论 三元合金 SnSxSe2-x SnSxSe2-x CVD single crystal nanosheet Raman spectroscopy first principle DFT ternary alloy
1 河南农业大学机电工程学院，河南 郑州 450002
2 河南省农业激光技术国际联合实验室，河南 郑州 450002
3 小麦玉米作物学国家重点实验室，河南 郑州 450002
植物激素脱落酸(ABA)是植物通过自身代谢产生的有机信号小分子, 在极低浓度下可对植物自身产生明显的生理效应, 是植物体内五大内源激素之一, 因能促进植物叶片的脱落而得名, 主要存在于植物干枯的叶子, 根茎、 种子等部位。 由于对植物生长的调节能力, ABA在农业工程领域有着极大的应用前景。 然而, ABA在植物体内的浓度很低, 实现超低浓度检测是ABA应用的关键。 关于ABA的检测, 文献中已经报道的方法有很多, 但是利用拉曼光谱技术对ABA的理论和实验研究还未见报道, 拉曼光谱技术有着样品前处理简单、 分析速度快、 对于检测人员要求低, 更适合于原位和现场检测等特点, 因此对ABA拉曼光谱的机理和实验研究可为在植物激素检测及鉴定中提供可靠的依据。 利用软件Gaussian09和GaussView5.0构建优化ABA的分子结构, 计算了ABA的分子能级、 前线轨道、 拉曼光谱(Raman)、 红外光谱(IR)及核磁共振谱(NMR)。 为了验证理论计算的准确性, 检测了ABA分子的IR、 Raman、 表面增强拉曼光谱(SERS)和NMR谱。 结果表明: ABA的拉曼特征峰理论计算值位于616, 1 056, 1 272和1 689 cm-1处, 实验测得的拉曼特征峰位于612, 1 048, 1 272和1 635 cm-1处, SERS实验获得的特征峰位于598, 1 032, 1 268和1 625 cm-1处, 理论计算和实验结果吻合较好; 同时对ABA在400~4 000 cm-1波长区间的IR和Raman特征峰进行了指认, 指出了其在相应的峰位置上较强拉曼光谱的分子振荡模式, 其中拉曼最强峰1 635 cm-1主要来自于ABA分子碳碳双键和碳碳单键的伸缩振动, 其中碳碳双键的伸缩振动引起的拉曼散射最强。 最后, 对比ABA的计算和实验核磁共振谱, 并进行原子归属指认和原子相对位移分析, 进一步研究了ABA的分子结构, 为ABA的痕量检测提供了一定的实验参考和理论依据。
脱落酸 拉曼光谱 红外光谱 核磁共振谱 密度泛函理论 Abscisic acid Raman spectrum Infrared spectrum NMR spectrum Density functional theory (DFT) 光谱学与光谱分析
2021, 41(9): 2859
