1 1.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海 201899
2 2.中国科学院大学 材料科学与光电工程中心, 北京 100049
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。
钙钛矿 本征缺陷 CsPbI3 杂化泛函 第一性原理计算 perovskites intrinsic defect CsPbI3 hybrid functional first-principles calculation
1 西南技术物理研究所, 成都 610041
2 华南理工大学 材料科学与工程学院, 广州 510641
3 四川大学 材料科学与工程学院, 成都 610064
为了对Yb∶YAG晶体荧光性能进行调控以使其更好地应用于高能脉冲型激光器, 结合密度泛函理论和晶体场理论, 对掺杂调控后的Yb∶YAG晶体的电子结构、光谱学性质进行了理论计算, 分析了不同粒子掺杂和占据格位情况下Yb∶YAG晶体的荧光性能, 并在此基础上计算配方完成晶体生长实验、制备样品进行荧光性能测试验证。结果表明, 通过以上过程掌握了Yb∶YAG晶体荧光寿命等参数的调控方法, 共掺Cr后的Yb∶YAG荧光寿命可以从1.18 ms降低至0.94 ms。该研究为Yb∶YAG晶体实现高能脉冲激光应用奠定了理论和实验基础。
激光技术 性能调控 第一性原理计算 掺杂改性 晶体生长 荧光测试 Yb∶YAG晶体 laser technique property tuning first principle calculation doping modification crystal growth fluorescent measurement Yb∶YAG crystal
具有高储氢容量和可逆储氢性能的新材料的开发对氢能的大规模利用至关重要。基于第一性原理计算, 研究了Li原子和Ca原子单独修饰和共修饰VO2单层体系的H2分子存储性能。结果表明Li原子和Ca原子均能稳定结合在VO2单层表面而不产生金属团簇。单个Li原子和Ca原子分别最多可稳定吸附3个和6个H2分子, 且H2分子平均吸附能均大于0.20 eV/H2。吸附体系差分电荷和态密度分析结果表明, 氢分子的极化机制以及氢分子与金属原子间的轨道杂化作用是H2分子在金属原子周围稳定吸附的主要原因。Li原子修饰体系的储氢质量密度随着Li原子覆盖度的增加而逐渐增加, 而Ca原子修饰体系的储氢质量密度在低金属覆盖度时较高; Li/Ca共修饰体系的储氢质量密度有所增加, 其储氢质量密度为5.00%(质量分数)。此外, 考虑了不同温度和压强条件下储氢体系的稳定性。
VO2单层 储氢 第一性原理计算 锂原子 钙原子 修饰 VO2 monolayer hydrogen storage first-principle calculation lithium atom calcium atom decoration
1 六盘水师范学院，创新创业学院，六盘水 553004
2 六盘水师范学院，化学与材料工程学院，六盘水 553004
3 贵州省煤炭洁净利用重点实验室，六盘水 553004
高性能二维负极材料的开发是可充电离子电池应用的关键。本文基于第一性原理计算，系统研究了Mg和Al离子与二维Nb2N的相互作用，包括其几何构型、电子结构、离子扩散特性、开路电压和理论容量。Mg和Al离子均能吸附在二维Nb2N上，吸附能为负，表明金属与二维Nb2N有较强的结合作用，有利于在可充电离子电池中的应用。二维Nb2N的金属性能保证了离子电池良好的导电性。两种离子的扩散势垒均小于0.2 eV，说明其具有良好的充放电速率。此外，镁离子和铝离子电池均具有比较低的开路电压和高的理论容量。这些结果表明，二维Nb2N适合作为高性能的负极材料而应用于镁离子和铝离子电池。
镁和铝离子电池 负极 二维材料 第一性原理计算 Nb2N Nb2N magnesium and aluminum ion battery anode two-dimensional material first-principle calculation
1 江苏省新能源技术工程实验室，南京 210046
2 南京邮电大学(NJUPT)理学院，南京 210046
最近，对二维铁磁材料的研究已成为自旋电子器件领域的热点。本文通过自旋极化密度泛函理论计算，设计出一种新型的二维材料Fe3As，其居里温度(Tc)为300 K，可达到室温。预测的二维Fe3As具有很强的面内Fe—Fe耦合，其大的磁各向异性能量(MAE)大约为366.7 μeV，有助于材料维持长程铁磁序。这种二维Fe3As的能带同时具有平带和狄拉克点的特征。值得注意的是，平带的位置与磁耦合的强度正相关。此外，在双轴应变的作用下，随着平带和费米面之间的距离不断减小，Tc也在逐渐升高。因此，Fe3As单层有望成为二维室温自旋电子学器件的一种有前途的候选材料。
自旋电子学 二维材料 磁学性质 笼目结构 第一性原理计算 Fe3As Fe3As spintronics two-dimensional material magnetic property Kagome structure first-principle calculation
1 1.华东师范大学 物理与电子科学学院, 极化材料与器件教育部重点实验室, 上海 200241
2 2.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海 200050
3 3. 山西大学 极端光学协同创新中心,太原 030006
宽禁带γ-CuI是一种具有优异光电和热电性能的p型透明半导体材料, 近年来受到广泛关注。但作为一种新兴材料, 其发光性能受材料缺陷影响的物理机理尚不清楚。本工作通过气相反应法制备了Cl掺杂的CuI薄膜, 采用电镜表征方法研究Cl掺杂对多晶CuI薄膜表面形貌和阴极荧光发光特性的影响, 并结合第一性原理计算探究了Cl在CuI薄膜中的主要存在形式, 以揭示Cl掺杂CuI薄膜结构与发光性能的联系。研究结果表明, 原本晶粒饱满但晶界显著的CuI薄膜掺杂Cl后呈现出致密平整的表面, 表明Cl掺杂剂改变了CuI的表面结构。相比未掺杂区域, Cl掺杂区410 nm处的荧光信号明显得到双倍增强, 而在720 nm附近的缺陷峰则略有降低, 说明Cl掺杂极大改善了CuI薄膜的发光性能。通过第一性原理计算对该现象进行理论分析, 发现引入Cl元素有效抑制了CuI中碘空位等深能级缺陷的产生, 降低了激子发生非辐射跃迁的概率, 从而改善CuI的发光性能, 这与阴极荧光的结果一致。本研究获得的掺杂CuI薄膜带边发光峰的半峰宽仅为7 nm, 表现出极高的发光单色性。这些发现有助于对卤素掺杂获得的高性能CuI基材料的理解。
CuI Cl掺杂 阴极荧光 第一性原理计算 CuI Cl-doping cathodoluminescence first principle calculation
1 沈阳大学机械工程学院, 沈阳 110044
2 沈阳大学师范学院, 沈阳 110044
通过第一性原理计算研究了四种二维双层MoSSe/WSSe范德瓦耳斯异质结的光电性质。声子谱表明四种结构具有可靠的热力学稳定性。根据堆垛方式的不同, 双层MoSSe/WSSe异质结可以是间接或直接半导体。而且, 两种Janus型MoSSe/WSSe异质结具有1.22和1.88 eV的适中带隙、显著的可见光吸收系数、跨越了水氧化还原电位的带边位置。因此, Janus型的MoSSe/WSSe异质结构在光催化水分解领域具有一定的应用前景。
第一性原理计算 Janus二维异质结 光催化水分解 声子色散谱 电子结构 光吸收 first-principle calculation Janus two-dimensional heterostructure photocatalytic water splitting phonon dispersion spectrum electronic structure light absorption
1 吉林师范大学 物理学院，吉林 四平 136000
2 吉林师范大学 功能材料物理与化学教育部重点实验室，吉林 长春 130022
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。
二维SiO2 电子性质 光学性质 第一性原理计算 two-dimensional SiO2 electronic properties optical properties first-principles calculations
1 中国科学技术大学 中国科学院微观磁共振实验室，安徽 合肥 230026
2 中国科学技术大学物理学院 物理系，安徽 合肥 230026
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。
过渡金属离子 光跃迁 第一性原理计算 transition metal ions optical transitions first-principles calculation
