通过固相反应法制备出室温下高离子电导率Ta掺杂的锂镧锆钽氧（Li_6.5La₃Zr_1.5Ta_0.5O₁₂，LLZTO）固体电解质，详细研究了电子束辐照对LLZTO固体电解质结构和性能的影响。结果表明：电子束（250 kGy、500 kGy）辐照后并未产生其他杂相，且晶格间距随着剂量的增加逐渐变大，这有利于降低离子在晶格中的扩散能垒。第一性原理的计算发现，低剂量电子束辐照样的Li⁺扩散能垒比未辐照样降低了0.07 eV，说明辐照产生的缺陷能促进Li⁺扩散。辐照前后的电解质交流阻抗测试进一步证实了低剂量的电子束辐照有利于提升电解质的离子电导率。利用电子束辐照探究其对LLZTO氧化物固体电解质结构和电导率的影响对固体电解质的研究具有重要意义。

在卤族钙钛矿材料的缺陷研究中, 密度泛函理论计算发挥着重要作用。传统的半局域泛函(如PBE)虽然能够得到与实验接近的禁带宽度, 但是已有研究表明其不能准确描述材料的带边位置。采用更准确的杂化泛函, 结合自旋轨道耦合(SOC)效应与充分的结构优化开展缺陷研究十分必要。可以选择两种杂化泛函, 即屏蔽的杂化泛函HSE和非屏蔽的杂化泛函PBE0。本研究以正交相CsPbI₃为例, 系统比较了两种方法在缺陷性质计算上的差异。计算结果表明, 对于体相性质, 两种杂化泛函并无明显的差别。但是, 对于缺陷性质, 两种泛函出现定性的差别。HSE计算中预测的浅能级缺陷, 在PBE0计算中大部分变为深能级缺陷, 且缺陷转变能级和Kohn-Sham能级均出现定性差别。上述差别的本质在于, Hartree-Fock交换势具有长程作用特征, 因而普通的杂化泛函如PBE0在计算量允许的超胞尺寸上无法得到收敛的结果, 而HSE对上述交换势具有屏蔽作用, 可采用相对小尺寸的超胞得到收敛的缺陷能级。本研究结果表明, 尽管HSE杂化泛函需要较大的Hartree-Fock混合参数(约0.43), 其仍是准确计算卤族钙钛矿缺陷性质的有效方法。

Hydrostatic pressure provides an efficient way to tune and optimize the properties of solid materials without changing their composition. In this work, we investigate the electronic, optical, and mechanical properties of antiperovskite X₃NP (X²⁺ = Ca, Mg) upon compression by first-principles calculations. Our results reveal that the system is anisotropic, and the lattice constant a of X₃NP exhibits the fastest rate of decrease upon compression among the three directions, which is different from the typical Pnma phase of halide and chalcogenide perovskites. Meanwhile, Ca₃NP has higher compressibility than Mg₃NP due to its small bulk modulus. The electronic and optical properties of Mg₃NP show small fluctuations upon compression, but those of Ca₃NP are more sensitive to pressure due to its higher compressibility and lower unoccupied 3d orbital energy. For example, the band gap, lattice dielectric constant, and exciton binding energy of Ca₃NP decrease rapidly as the pressure increases. In addition, the increase in pressure significantly improves the optical absorption and theoretical conversion efficiency of Ca₃NP. Finally, the mechanical properties of X₃NP are also increased upon compression due to the reduction in bond length, while inducing a brittle-to-ductile transition. Our research provides theoretical guidance and insights for future experimental tuning of the physical properties of antiperovskite semiconductors by pressure.

金刚石具有高热导率、宽光谱透过范围、大拉曼增益系数和大拉曼频移等优点，已成为拓展波长范围、获得高功率高光束质量新波长的重要拉曼介质。利用第一性原理对金刚石晶格参数、能带结构、态密度、声子谱等进行了计算，系统分析了结构特征、频谱、能带间隙及电子分布特性。在此基础上，考虑了金刚石的电子运动态以及电场方向对金刚石能带间隙的影响，发现金刚石在<1 0 0>晶向最易受电场影响，在<1 1 1>晶向最稳定。给出了金刚石晶体的全部本征振动模式和相应频率，分析结果表明泵浦光沿着<1 1 0>晶向入射、并沿着<1 1 1>晶向偏振时拉曼增益最大。同时讨论了光谱区域内多声子吸收机理，为金刚石拉曼激光效率提升以及波长拓展提供了理论依据。

SiO₂通常以三维晶体或无定形结构存在，限制了其在新技术如新一代集成电路中的应用，因此二维SiO₂的研究引起了越来越多的关注。本文通过删除三维层状CaAl₂Si₂O₈结构中的Ca和Al原子，直接构建出新的二维SiO₂构型。采用基于密度泛函理论的第一性原理计算，结构优化获得的新型2D SiO₂具有P-62m对称性，群号189。通过结合能、弹性系数、分子动力学模拟和声子谱计算，发现新型2D SiO₂具有高机械稳定性、热力学稳定性和动力学稳定性。电子性质和光学性质计算发现，2D SiO₂是带隙为6.08 eV绝缘体，且具有良好的光透射率和光导率。此外，通过研究面内双轴应变对2D SiO₂电子和光学性质的影响，发现2D SiO₂的带隙和介电函数受面内拉伸应变的影响较压缩应变略大，不过其整体光学性质受应变影响不大，保证了其在实际应用中电子性质和光学性质的稳定性。

利用第一性原理结合HSE06杂化泛函理论研究了ZrSSe、HfSSe及相关异质结的电子和介电特性。单层ZrSSe和HfSSe的电子结构计算结果表明，其为间接带隙半导体，带隙分别为1.196 0 eV和1.040 2 eV。观察发现，能带结构出现了明显的带嵌套（Band nesting）现象，说明ZrSSe和HfSSe在光照条件下能够产生强烈的光与物质相互作用。并且，材料由S原子与Se原子p轨道电子跃迁产生的介电特性在红外和可见光范围表现出优异的吸收性能。此外，对结构的局部平面平均态密度进行分析表明，基于ZrSSe和HfSSe可以形成三种不同界面特征的异质结，且与带边界相关的电荷密度分布在两种材料上。对ZrSSe/HfSSe异质结的光吸收谱计算发现，其吸收峰主要出现在红外和可见光范围内，其峰值吸收系数最高可达1.26×10⁶ cm^-1。对异质结的能量损失谱计算可知，ZrSSe/HfSSe异质结在可见光范围内具有较高的吸收率。研究揭示了两面神结构材料及其异质结的光物理性质，推动了这些材料在新型光电器件中的应用。

由低维InAs材料和其他二维层状材料堆叠而成的垂直范德华异质结构在纳米电子、光电子和量子信息等新兴领域中应用广泛。探索跨结界面的电荷转移机制对于全面理解该类器件的非凡特性至关重要。第一性原理计算在揭示界面电荷转移特性与各种能量稳定型InAs基范德华异质结的电、光、磁等原理物理特性和器件性能变化之间的内在关系方面发挥着不可比拟的作用。文中梳理、总结和探讨了近年来InAs基范德华异质结间界面电荷转移特性的理论研究工作与潜在的功能应用，提出在理论方法和计算精度方面大力发展第一性原理计算的几个途径，为更好地开展InAs基范德华异质结的基础科学研究和应用器件设计提供可借鉴的量化研究基础。

过渡金属（TM）激活离子由于在近红外发光、红外激光、荧光转化的白光LED、荧光温度计、余辉发光等方面的优异性能和应用潜力而被广泛研究。TM离子在固体中可占据八配位、六配位、四配位等多种配位格位，可呈现多种价态且光跃迁性质强烈依赖于晶体环境，因此TM离子在固体中的发光中心确定、发光机理理解和性能预测存在困难。本文通过第一性原理计算探索固体中TM离子的热力学和光跃迁性质。内容包括：通过对各种化学氛围下形成能的计算结果，分析基质的本征缺陷以及TM离子占位、价态、分布和浓度；理解不同晶体环境中TM离子的各激发态和能级结构；构建位形坐标图分析激发、弛豫、发射及猝灭过程；提出通过合成氛围、共存条件和离子共掺等方式调控或优化TM离子的占位、价态和光跃迁的方案。本文以若干具有代表性的体系为依托，展示了如何运用第一性原理计算手段进行掺TM离子固体发光材料的研究。具体所涉及的代表体系和研究内容为：Ti∶Al₂O₃激光晶体中红外残余吸收机理及其减弱或尽可能消除的方法，典型尖晶石和石榴石基质中Mn²⁺、Mn³⁺、Mn⁴⁺的占位和激发、弛豫、发射等光跃迁性质，固溶氧化物基质中铬离子的占位、价态及相应的光跃迁性质等，表明第一性原理计算可用于发光材料的机理研究、理性设计和优化。