双空位缺陷双层石墨烯储钠性能的第一性原理研究
碱金属原子吸附在双空位缺陷石墨烯表面的第一性原理研究
文章编号:１００１Ｇ９７３１(２０１８)１０Ｇ１００９８Ｇ０６碱金属原子吸附在双空位缺陷石墨烯表面的第一性原理研究∗谭㊀心１,２,陈路华１,刘尧尧１,３,刘志鑫１,未雪原１(１．内蒙古科技大学机械工程学院,内蒙古包头０１４０１０;２．东北大学机械工程与自动化学院,沈阳１１０００４;３．山东钢铁集团日照有限公司,山东日照２７６８０５)摘㊀要:㊀采用了基于密度泛函(D F T)的第一性原理方法进行了计算,研究了双空位缺陷(D V)的存在对碱金属原子吸附在石墨烯表面的性质的影响以及碱金属原子在缺陷石墨烯表面的吸附迁移行为.与本征石墨烯相比, D V缺陷石墨烯表面更容易吸附碱金属原子,且碱金属原子位于D V缺陷正上方时吸附更加稳定;电荷密度分布和B a d e r电荷计算表明,碱金属元素与缺陷石墨烯的结合方式表现出离子性,电荷由碱金属原子向石墨烯转移;迁移计算的结果表明D V缺陷的存在不利于碱金属原子在石墨烯表面的迁移.关键词:㊀石墨烯;双空位缺陷;第一性原理;吸附;迁移中图分类号:㊀O４６９文献标识码:A D O I:１０．３９６９/j．i s s n．１００１Ｇ９７３１．２０１８．１０．０１７０㊀引㊀言近年来,以石墨烯为代表的新型二维材料用作锂离子电池的负极材料成为了一大热点.石墨烯是一种呈六角蜂巢状的二维碳纳米材料,独特的结构使其内部的载流子迁移率达到２ˑ１０５c m２/(V s)[１Ｇ２],可用作导电材料.但石墨烯的载流子浓度则偏低,仅为１０１２c m－２[３Ｇ４],无法满足作为导电薄膜材料的要求.目前,许多实验[５Ｇ７]证明,石墨烯具有较高的储锂容量与循环性能,能被用作锂电池负极材料.在理论研究方面,对L i在石墨烯表面吸附性质[８Ｇ１０]及迁移行为[１１Ｇ１３]也有了一定的研究.然而在实际制备过程中,不可避免地会产生晶格缺陷,例如空位和含氧基团等,其中双空位缺陷石墨烯(D V缺陷石墨烯)是由于单空位缺陷的融合或两个晶格碳原子的缺失而产生的.Z h a o 等[１４]研究表明,扶手椅型石墨烯中D V缺陷的分布情况决定石墨烯的电子传导能力是降低还是改善.Y a o 等[１５]指出D V缺陷及多空位缺陷存在可以为锂离子穿透石墨烯基面提供新的扩散路径.T a k a m u r a等[１６]认为锂离子可以通过石墨烯负极中的纳米孔嵌入和脱出,从而提高锂离子电池的倍率性.杨绍斌等[１７]指出D V缺陷能提高双层石墨烯表面捕获N a的能力,且N a吸附在D V缺陷空位中心处更稳定.虽然前人对碱金属在D V缺陷石墨烯表面吸附迁移做了一些研究,但是缺乏对不同碱金属Ｇ双空位缺陷石墨烯体系的性质的比较分析,缺少有关D V缺陷的存在对碱金属原子吸附在石墨烯表面的性质的影响的研究.本文采用D F T方法,针对碱金属原子在D V缺陷石墨烯表面的吸附迁移进行了计算,为今后开发以石墨烯为负极的碱金属电池提供理论基础.１㊀计算模型和方法计算基于密度泛函理论(D F T)[１８Ｇ１９]的第一性原理方法,运用V A S P[２０Ｇ２２]软件包,对碱金属在D V缺陷石墨烯表面吸附性质㊁电学性质及迁移行为进行了研究.本次计算中采用的体系为碱金属原子吸附于３ˑ３D V 缺陷石墨烯超胞表面上方.计算时选取平面缀加波和广义梯度近似(G G A)的交换关联势P AW_P B E,电子和离子芯之间的相互作用使用超软赝势[２３].计算时先对平面波截断能E N C U T和展开宽度S I GMA值进行优化,确定E N C U T＝５００e V,S I GMA为０．０５e V.弛豫计算过程中原子之间作用力的收敛精度０．０１e V/０．１n m,能量的收敛精度为１０－４e V.布里渊区的k点网格取样使用M o n h k o r s tＧP a c k[２４]方法,选取９ˑ９ˑ１的k点网格进行计算.经过优化后的石墨烯原胞晶格常数为０．２４７n m,与实验值０．２４６n m[２５]符合的较好.定义x轴与y轴位于石墨烯平面内,z轴垂直于石墨烯表面,z轴方向取２．０n m的真空层,石墨烯片层之间与碱金属原子之间的作用力就可以忽略不计.本文计算了碱金属原子原子在D V缺陷石墨烯体系的吸附能E a d,研究不同位置的吸附情况,E a d E a d由下面公式得到E a d＝E M＋E G－E c o n f i g(１)㊀㊀E c o n f i g为吸附体系的能量,E G为D V缺陷石墨烯的能量,E M为所吸附碱金属原子的单原子能量.为了定性描述吸附原子与石墨烯片层之间的电荷８９００１２０１８年第１０期(４９)卷∗基金项目:国家自然科学基金资助项目(６１７６５０１２);内蒙古自然科学基金资助项目(２０１５M S０５５０);内蒙古自治区教育厅资助项目(N J Z Y１５３);内蒙古自治区科技创新引导资助项目(２０１７C X Y DＧ２)收到初稿日期:２０１８Ｇ０５Ｇ１６收到修改稿日期:２０１８Ｇ０７Ｇ２２通讯作者:谭㊀心,EＧm a i l:h e a r t_t a n＠１２６．c o m作者简介:谭㊀心㊀(１９７４－),女,教授,博士生导师,主要从事机械电子工程㊁纳米结构产品设计及制造技术方面的研究.分布情况㊁电荷转移情况以及原子之间的成键情况,本文还计算了L i 原子吸附在D V 缺陷石墨烯体系的差分电荷密度Δρ,Δρ定义如下Δρ＝ρc o n f i g －ρG －ρLi (２)㊀㊀式中,ρc o g f i g 为吸附体系电荷密度,ρG 为D V 缺陷石墨烯的电荷密度,ρL i 为所吸附的L i 原子的电荷密度.采用N E B [２６]方法确定L i 原子在D V 石墨烯表面不同高对称位之间的迁移路径,利用第一性原理的方法计算碱金属原子沿不同路径迁移所需的迁移激活能.２㊀结果与讨论２．１㊀碱金属原子在D V 缺陷石墨烯表面的吸附性质粒子在D V 石墨烯表面吸附位置如图１所示.图１㊀碱金属原子在D V 缺陷石墨烯表面的吸附示意图F i g １A d s o r p t i o no f a l k a l im e t a l a t o m s o n t h e s u r f a c e o fD V Ｇg r a ph e n e ㊀㊀由图１可知,先进行弛豫计算,将碱金属原子分别置于石墨烯表面３个高对称位上方,距石墨烯平面０．２n m 处.计算结果如表１所示,得到碱金属原子在不同吸附位置的吸附能(E a d )㊁平均吸附高度(h )㊁吸附原子与最邻近C 原子之间的距离(d A ＧC ),其中E m a x 和h m i n 分别表示碱金属在完整石墨烯表面的最大吸附能和最低吸附高度.表１㊀碱金属原子在D V 缺陷石墨烯表面H １位、H ２位和H ３位吸附的能量及结构参数T a b l e １E n e r g e t i c a n d s t r u c t u r a l p r o p e r t i e s f o r t h e ３a l k a l im e t a l a d a t o m s a b s o r b e do n s u r f a c e o fD V Ｇg r a ph e n e A d a t o m S i t e E a d /e V E m a x /e V h /０．１n m h m i n/０．１n m d A ＧC/０．１n m L iH １H ２H ３２．１６２１．９３７１．８０９１．１６００．９３６１．１３８１．１４４１．６５９６２．１６４２．１７１２．２０５N aH １H ２H ３１．６４１１．２５４１．１８６０．５２４１．２２６１．４６０１．４２３２．３７７２．５６６２．４８８２．５３３KH １H ２H ３１．８５８１．６０５１．５５４０．７８１１．５３５１．６９５１．６７９２．７２０２．９２７２．８４８２．８８２㊀㊀通过表１可以看出,不同的碱金属原子在D V 缺陷石墨烯表面H １位进行吸附时,体系的吸附能最大,吸附高度最低.H １ңH ２ңH ３,碱金属原子在D V 缺陷石墨烯表面的吸附能减小,吸附高度增大.H １位是碱金属原子在D V 缺陷石墨烯表面的最稳定吸附位.L i ңKңN a ,各原子在D V 缺陷石墨烯表面的吸附能依次减小,说明对于碱金属ＧD V 缺陷石墨烯体系,L i ＧD V 缺陷石墨烯体系稳定性大于K ＧD V 缺陷石墨烯体系大于N a ＧD V 缺陷石墨烯体系,表明D V 缺陷石墨烯储L i 能力较强.各吸附位的吸附高度以及吸附原子与最邻近C 原子之间的距离随原子序数的增大依次增大,表明碱金属原子与D V 缺陷石墨烯片层之间的相互作用减弱.通过与文献中数据对比,碱金属原子在D V 缺陷石墨烯表面各位置的吸附能大于其在完整石墨烯表面的最小吸附能,吸附高度低于其在完整石墨烯表面的最低吸附高度.故缺陷的存在,提高了碱金属原子在D V 缺陷石墨烯表面的吸附能力㊁降低了碱金属原子在D V 缺陷石墨烯表面的吸附高度,即碱金属原子在D V缺陷石墨烯表面的吸附更加稳定.２．２㊀碱金属原子在D V 缺陷石墨烯表面的电学性质通过对碱金属ＧD V 缺陷石墨烯体系的差分电荷密度的计算,研究了碱金属原子吸附在D V 缺陷石墨烯表面过程中的电学性质的变化.碱金属ＧD V 缺陷石墨９９００１谭㊀心等:碱金属原子吸附在双空位缺陷石墨烯表面的第一性原理研究烯体系的三维差分电荷密度如图２所示.图中黄色区域(０．００１e/０．１n m３)代表电荷密度增加,蓝绿色区域(－０．００１e/０．１n m３)代表电荷密度减少.图２㊀L i原子在D V缺陷石墨烯表面(a)H１位㊁(b)H２位㊁(c)H３位;N a原子在D V缺陷石墨烯表面((d)H１位㊁(e)H２位㊁(f)H３位;K原子在D V缺陷石墨烯表面(g)H１位㊁(h)H２位㊁(i)H３位吸附的三维差分电荷密度F i g２３Dd i f f e r e n t i a l c h a r g e d e n s i t y o f a t o m s a d s o r b e do n t h e s u r f a c e o fD VＧg r a p h e n e:L i:(a)H１s i t e,(b)H２s i t e a n d(c)H３s i t e;N a:(d)H１s i t e,(e)H２s i t e a n d(f)H３s i t e;K:(g)H１s i t e,(h)H２s i t e a n d(i)H３s i t e㊀㊀由图２所示,当碱金属原子吸附在H１㊁H２㊁H３位时,缺陷处C原子附近的电荷密度明显增加(获得电子),而碱金属原子附近的电荷密度明显减少(失去电子).为了更清楚直观的了解碱金属原子与D V缺陷石墨烯之间的电荷转移情况,对该体系的二维差分电荷密度图进行分析.二维差分电荷密度所取的截面为通过吸附原子与C原子的垂直面,如图３所示.图中红色区域电荷密度为正值,代表电荷密度增加;蓝色区域电荷密度为负值,代表电荷密度减少.由图２可以看出,碱金属原子吸附在D V缺陷石墨烯表面后,碱金属与D V缺陷石墨烯之间的区域存在一定差分电荷密度的分布,结合图３可知,碱金属原子与邻近的C原子之间存在共用电子,呈现出一定的共价键特征.图２中,碱金属原子周围呈蓝绿色,D V 缺陷石墨烯周围呈黄色.图３中,碱金属原子周围成蓝色,C原子周围呈红色,表明碱金属原子失电子,D V 缺陷石墨烯得电子,即碱金属原子吸附在D V缺陷石墨烯表面后,电荷由碱金属原子向D V缺陷石墨烯转移,呈现出明显的离子性特征.在吸附过程中,电荷由碱金属(掺杂剂)转移到D V缺陷石墨烯,此时碱金属(掺杂剂)是施主,D V缺陷石墨烯是受主,形成N型掺杂.为了定量的的描述碱金属原子与D V缺陷石墨烯之间的电荷转移,对碱金属原子ＧD V缺陷石墨烯体系进行B a d e r电荷分析计算.其电荷转移量如表２所示,其中C h a r g e１/e表示碱金属原子外层所带的电荷量;C h a r g e２/e表示碱金属原子ＧD V缺陷石墨烯体系中碱金属原子外层的电荷量;ΔC h a r g e/e表示碱金属原子向D V缺陷石墨烯转移的电荷量.００１０１２０１８年第１０期(４９)卷图３㊀L i 原子在D V 缺陷石墨烯表面(a )H １位㊁(b )H ２位㊁(c )H ３;N a 原子在D V 缺陷石墨烯表面(d )H １位㊁(e)H ２位㊁(f )H ３;K 原子D V 缺陷在石墨烯表面((g)H １位㊁(h )H ２位㊁(i )H ３位吸附的二维差分电荷密度F i g ３２Dd i f f e r e n t i a l c h a r g e d e n s i t y o f a t o m s a d s o r b e d o n t h e s u r f a c e o f D V－g r a ph e n e :L i :(a )H １s i t e ,(b )H ２s i t e a n d (c )H ３s i t e ;N a :(d )H １s i t e ,(e )H ２s i t e a n d (f )H ３s i t e ;K :(g)H １s i t e ,(h )H ２s i t e a n d (i )H ３s i t e表２㊀碱金属原子向D V 缺陷石墨烯转移的电荷量(ΔC h a r g e /e )T a b l e ２T h e n u m b e r o f t r a n s f e r c h a r ge of a l k a l im e t a l a t o m s t oD V Ｇg r a ph e n e A d a t o m S i t e C h a r g e １/e C h a r g e ２/e ΔC h a r ge /e L iH １H ２H ３１．００００．０３６０．１１７０．１１１０．９６４０．８８３０．８８９N aH １H ２H ３１．００００．１５４０．１２６０．１２００．８４６０．８７４０．８８０KH １H ２H ３９．０００８．１２３８．１２１８．１１５０．８７７０．８７９０．８８５㊀㊀由表２数据可以看出,除在H １位L i 原子向D V缺陷石墨烯转移了较高的０．９６４e 的电荷量,其它位置碱金属原子向D V 缺陷石墨烯转移的电荷量在０．８４~０．９０e 之间,差距较小.电荷转移量越大体系的离子性越强.从碱金属原子吸附在D V 缺陷石墨烯表面电荷转移量来看:在H １㊁H ２和H ３位,N a ңKңL i 原子与C 原子之间电荷转移量逐渐增大,碱金属ＧD V 缺陷石墨烯体系的共价性逐渐减弱,离子性逐渐增强.说明碱金属原子和D V 的结合呈现离子性.２．３㊀碱金属原子在D V 缺陷石墨烯表面的迁移行为粒子在在D V 缺陷石墨烯表面可能的迁移路径为H ２ңH １ңH ３,采用N E B [２６]的方法确定两个稳定构型之间粒子的迁移路径如图４所示,利用第一性原理的方法计算得到碱金属原子在D V 缺陷石墨烯表面的迁移路径和迁移能量曲线如图５所示.由图５可以看出,L i ㊁N a ㊁K 原子在D V 缺陷石墨烯表面沿H ２ңH １ңH ３路径的迁移能量曲线形状类似.若L i ㊁N a ㊁K 原子沿H １ңH ２位迁移时,所需要的迁移激活能分别为０．２３５,０．４０９,０．２６７e V .可以得出在H １ңH ２位迁移路径,L i 原子所需的迁移激活能更１０１０１谭㊀心等:碱金属原子吸附在双空位缺陷石墨烯表面的第一性原理研究小,更容易迁移.若L i㊁N a㊁K沿H１ңH３位迁移时,所需要的迁移激活能分别为０．３５９,０．５２７,０．３３９e V.表明碱金属原子沿H１ңH３位迁移路径时,K原子所需的迁移激活能更小,更容易迁移.整体来看,L i原子在D V缺陷石墨烯表面迁移曲线较平滑,K原子在D V缺陷石墨烯表面迁移需要的迁移激活能较小,这表明相对N a原子,L i原子和K原子更容易在石墨烯片层表面迁移扩散.图４㊀碱金属原子在石墨烯表面迁移路径示意图F i g４T h ed i f f u s i o n p a t h w a y o f a l k a l im e t a l a t o m s o n t h e s u r f a c e o f g r a p h e n e图５㊀碱金属原子在D V缺陷石墨烯表面沿H２ңH１ңH３的迁移路径和迁移能量曲线F i g５D i f f u s i o n p a t h w a y a n dd i f f u s i o n e n e r g y c u r v e s o f L i,N a a n dKo n t h e s u r f a c e o fD VＧg r a p h e n e v i a t h eH２ңH１ңH３d i f f u s i o n p a t h w a y,r e s p e c t i v e l y ㊀㊀相关研究表明L i㊁N a㊁K原子在本征石墨烯表面的迁移激活能分别为０．２８９,０．０５１,０．０４３e V,可以得出D V缺陷的存在使得碱金属原子在石墨烯表面的迁移激活能增加,不利于碱金属原子在石墨烯表面的迁移,使得以石墨烯为负极的碱金属电池功率密度减小.３㊀结㊀论基于密度泛函理论,计算了碱金属原子在D V缺陷表面的吸附性质㊁电学性质及迁移行为,结论如下:(１)㊀碱金属在各位置吸附能大小满足H１＞H２＞H３,H１位是碱金属原子在D V缺陷石墨烯表面的最稳定吸附位.且各位置吸附能满足L i＞K＞N a,表明L iＧD V缺陷石墨烯构型最稳定,D V缺陷石墨烯有较强的储锂和储钾能力,而储钠的能力较弱.双空位缺陷的存在降低了碱金属原子在D V缺陷石墨烯表面的吸附高度,增强了碱金属原子在石墨烯表面的吸附能力.(２)㊀碱金属原子吸附在D V缺陷石墨烯表面后,电荷由碱金属原子向D V缺陷石墨烯转移.在３个吸附位置的电荷转移量存在:L i＞K＞N a,表明碱金属ＧD V缺陷石墨烯体系的共价性逐渐减弱,离子性逐渐增强.(３)㊀D V缺陷的存在提高了碱金属原子在石墨烯表面的迁移激活能,不利于碱金属原子在石墨烯表面的迁移.参考文献:[１]㊀B o l o t i nKI,S i k e sKJ,J i a n g Z,e t a l．U l t r a h i g he l e c t r o n m o b i l i t y i n s u s p e n d e d g r a p h e n e[J]．S o l i dS t a t eC o mm uＧn i c a t 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b i n i t i o m o l e c u l a rd yn a m i c s f o r l i q u i dm e t a l s [J ]．P h y sR e vB ,１９９３,４７(１):５５８．[１９]㊀K r e s s eG ,H a f n e r J ．A b i n i t i om o l e c u l a rd yn a m i c s s i m u Ｇl a t i o no f t h e l i q u i dm e t a l a m o r ph o u s s e m i c o n d u c t o r t r a n Ｇs i t i o n i n g e r m a n i u m [J ]．P h y sR e vB ,１９９４,４９(２０):１４２５１．[２０]㊀K r e s s eG ,F u r t h m u l l e r J ,E f f i c i e n t i t e r a t i v es c h e m e f o r a b i n i t i o t o t a l e n e r g y c a l c u l a t i o nu s i n g a pl a n e Ｇw a v e b a s i s s e t [J ]．P h ysR e vB ,１９９６,５４(１６):１１１６９Ｇ１１１８６．[２１]㊀K r e s s eG ,F u r t h m u l l e r J ．E f f i c i e n c y o f a b i n i t i o t o t a l e n e r g y c a l c u l a t i o n f o rm e t a l s a n d s e m i c o n d u c t o r s u s i n g a pl a n e Ｇw a v e b a s i s s e t [J ]．C o m puM a t e r S c i ,６(１):１５Ｇ５０．[２２]㊀K r e s s eG ,J o u b e r tD．F r o mu l t r a s o f t p s e u d o po t e n t i a l s t o t h e p r o j e c t o r Ｇw a v em e t h o d [J ]．P h ysR e vB ,１９９９,５９(３):１７５８Ｇ１７７５．[２３]㊀P e r d e wJP ,W a n g Y．A c c u r a t e a n d s i m p l e a n a l y t i c r e pＧr e s e n t a t i o no ft h ee l e c t r o n Ｇg a sc o r r e l a t i o ne n e r g y [J ]．P h y sR e vB ,１９９２,４５(３):１３２４４Ｇ１３２４８．[２４]㊀H e n d r i kJ ,M o n k h o r s t ,J a m e D P ．S pe c i a l p o i n t sf o r B r i l l o u i n Ｇz o n e i n t eg r a t i o n s [J ]．Ph y sR e vB ,１９７６,１３(１２):５１８８Ｇ５１９２．[２５]㊀C a r l s s o nJ M ,S c h e f f l e r M．S t r u c t u r a l ,e l e c t r o n i c ,a n dc h e m i c a l p r o p e r t i e s o f n a n o p o r o u s c a r b o n [J ]．P h ysR e v L e t t ,２００６,９６:０４６８０６．[２６]㊀H e n k e l m a nG ,J Ón h a n n e s s o n G ,J Ón s s o n H．M e t h o df o r f i n d i ng s a d d l e p o i n t s a n dm i n i m u me n e r g ypa t h s [J ]．JC h e m P h ys ,２００２,５:２６９Ｇ３０２．F i r s t Ｇp r i n c i p l e s s t u d y o n s u r f a c e a b s o r pt i o no f a l k a l im e t a l a t o m s o n d o u b l e Ｇv a c a n c y d e f e c t g r a ph e n e T A N X i n １,２,C H E NL u h u a １,L I U Y a o y a o １,３,L I UZ h i x i n １,W E IX u e yu a n １(１．S c h o o l o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,I n n e rM o n go l i a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e&T e c h n o l o g y ,B a o t o u０１４０１０,C h i n a ;２．S c h o o l o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g a n dA u t o m a t i o n ,N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y ,S h e n y a n g １１０００４,C h i n a ;３．S DS t e e lR i z h a oC o ．L t d ．,R i z h a o ２７６８０５,C h i n a)A b s t r a c t :T h e a d s o r p t i o n a n d d i f f u s i o n b e h a v i o r o f a l k a l im e t a l a t o m s a t t h r e e h i g h s y mm e t r y si t e s o n t h e s u r f a c e o fD Vd e f e c t g r a p h e n ew e r e s y s t e m a t i c a l l y i n v e s t i g a t e d b y t h e f i r s t Ｇp r i n c i p l em e t h o d b a s e d o n d e n s i t yf u n c t i o n a l t h e o r y ．C o m p a r e dw i t h i n t r i n s i cg r a ph e n e ,i t se a s i e r f o ra l k a l im e t a l a t o m s t ob ea b s o r b e do nt h es u r f a c eo f D V Ｇd e f e c t i v e g r a p h e n e ,a n d t h e a b s o r pt i o nw o u l d b em o r e s t a b l ew h e n t h e a l k a l im e t a l a t o m s a r e l o c a t e d d i r e c t Ｇl y a b o v e t h eD Vd e f e c t ．T h e c h a r g e d e n s i t y d i s t r i b u t i o n a n dB a d e r c h a r ge c a l c u l a t i o n s s h o wt h a t t h e c o m b i n a t i o n s h o w s i o n i c p r o p e r t i e s ,a n d t h e c h a r g e t r a n sf e r s f r o mt h e a l k a l im e t a l a t o m s t o t h eg r a ph e n e ．T h e r e s u l t s o fmi Ｇg r a t i o n c a l c u l a t i o n s s h o wt h a t t h e p r e s e n c e o fD Vd e f e c t s i sh a r m f u l t o t h em i gr a t i o no f a l k a l im e t a l a t o m so n t h e g r a ph e n e s u r f a c e ．K e y w o r d s :g r a p h e n e ;d o u b l e Ｇv a c a n c y d e f e c t s ;f i r s t Ｇp r i n c i p l e s ;a b s o r p t i o n ;d i f f u s i o n ３０１０１谭㊀心等:碱金属原子吸附在双空位缺陷石墨烯表面的第一性原理研究。
二维材料及其杂化异质结的结构与电子性质的第一性原理研究
二维材料及其杂化异质结的结构与电子性质的第一性原理研究二维材料及其杂化异质结的结构与电子性质的第一性原理研究近年来，二维材料在材料科学领域引起了广泛的关注。
二维材料是指材料中只有两个原子层的薄片，具有独特的结构和性质。
由于其特殊的二维结构，二维材料表现出与体材料截然不同的物理和化学特性。
二维材料在电子学、光学、能源和催化等领域具有潜在的应用价值。
与此同时，将不同的二维材料组合在一起形成杂化异质结，可以进一步调控其性质，并拓宽其应用领域。
在这篇文章中，我们将从第一性原理的角度探讨二维材料及其杂化异质结的结构与电子性质。
首先，我们需要了解二维材料的基本结构和性质。
最早被发现的二维材料是石墨烯，由单层碳原子组成，具有优异的热导率和电导率。
接下来，学界发现了许多其他具有二维结构的材料，如二硫化钼（MoS2）、二硒化硒（Se2）等，它们具有不同的晶体结构和化学性质。
二维材料的晶体结构、晶格常数、原子间距以及晶体方向等参数将直接影响其电子结构和性质。
通过第一性原理计算，我们可以获得二维材料的电子能带结构、态密度和电荷密度等信息。
电子能带结构可以揭示材料的导电性能，而态密度和电荷密度则反映了电子在材料中的分布情况。
这些计算结果对于理解二维材料的电子性质和响应行为非常重要。
随后，我们可以将不同的二维材料通过化学键或物理相互作用的形式组合成杂化异质结。
这种组合可以调控材料的光学、电学、磁学等性质，并产生新的化学反应途径。
例如，将石墨烯和二硫化钼组合形成的异质结具有更高的光电性能和催化活性。
通过第一性原理计算，我们可以研究异质结的结构、能带对齐以及电荷传输等信息，进一步指导杂化异质结的设计和应用。
另一方面，通过调控二维材料的形貌、尺寸和缺陷等因素，也可以对其电子性质进行调节。
例如，在二硫化钼中引入硫空位或金属离子掺杂，可以调整材料的能隙和电子结构。
这些缺陷和掺杂会对二维材料的电荷传输和催化性能产生重要影响。
通过第一性原理模拟，我们可以预测不同缺陷和掺杂对材料性质的影响，并为实验提供指导。
二维材料应用于自旋电子器件的第一性原理研究
二维材料应用于自旋电子器件的第一性原理探究引言：自旋电子器件是信息存储和处理领域的重要技术之一。
与传统的电子器件相比，自旋电子器件具有更高的速度、更低的功耗和更大的存储密度。
由于其潜在的广泛应用前景，对自旋电子器件的探究不息取得进展。
二维材料作为一类特殊的材料，具有优越的电子传输性能和良好的自旋特性，为自旋电子器件的进步提供了新的思路。
本文将通过第一性原理探究，探讨二维材料在自旋电子器件领域的应用。
1. 自旋电子器件基本原理自旋电子器件的基本原理是利用电子的自旋来携带和处理信息。
在传统的电子器件中，电荷携带信息，而自旋电子器件则利用电子的自旋来表示信息的状态。
自旋有两种状态，即上自旋和下自旋，可以通过外加磁场或自旋极化电流控制自旋的取向。
自旋电子器件具有较高的操作速度和存储密度，因此引起了广泛关注。
2. 二维材料的特点二维材料是一类具有晶格结构的材料，具有高度的二维性和超薄的厚度。
由于其晶格结构只有一层原子厚度，二维材料表现出了许多特殊的电子传输和光学性质。
其中最著名的是石墨烯，具有优异的载流子迁移率和高度的机械强度。
此外，过渡金属二硫化物、硒化物和氮化物等二维材料也具有丰富的性质和潜在应用。
3. 二维材料在自旋电子器件中的应用3.1 石墨烯自旋电子器件石墨烯具有零带隙和线性能带结构，电子在其中具有分外高的迁移率。
在石墨烯中引入磁性杂质或自旋极化电流，可以实现自旋操控。
通过调控石墨烯的外延杂质，可以实现自旋注入、储存和检测等功能，为自旋电子器件的设计和制备提供了新的思路。
3.2 过渡金属二硫化物自旋电子器件过渡金属二硫化物具有丰富的自旋特性和较大的背离铁磁金属物质的自旋极化效应。
通过控制其晶格缺陷和层数，可以实现自旋电子器件的磁阻、磁电阻和磁隧道效应等。
3.3 其他二维材料自旋电子器件除了石墨烯和过渡金属二硫化物，氮化硼、氮化锗和硒化物等二维材料也在自旋电子器件中展示了良好的性能。
通过利用这些材料的特殊性质，可以实现自旋电子器件的多功能拓展和优化设计。
晶体缺陷对材料性能的影响现状研究
晶体缺陷对材料性能的影响现状研究摘要:在理想完整的晶体中，原子按照一定的次序严格的处在空间有规则的、周期性的格点上。
但在实际晶体中，由于各种各样的原因，原子排布不可能那样完整和规则。
这些与完整周期性点阵结构的偏离就是晶体中的缺陷，它破坏了晶体的对称性。
同时缺陷的存在会对晶体产生或多或少的影响，本文着重研究了各类缺陷对材料性能的影响，收集了大量知名学者的研究成果，为之后的系统研究晶体缺陷奠定了基础。
关键词：晶体缺陷；空位；材料性能Effect of crystal defects on material researchAbstract: In an ideal complete Crystal atoms according to a certain order of strict rules in space, periodic lattice. But in the actual Crystal, due to various reasons, Atomic configurations cannot be so complete and rules. These complete deviation of the periodic lattice structure is the defects in the Crystal, it destroys the symmetry of the Crystal. Also will have more or less effect on crystal defects exist, this paper focuses on the influence of defects on the properties of materials, collected a large number of well-known scholars ' research results, laid the groundwork for systematic study of lattice defects.Key words: crystal defects; vacancy; material properties晶体结构中质点排列的某种不规则性或不完善性。
基于新型二维范德瓦尔斯异质结材料的第一性原理研究
基于新型二维范德瓦尔斯异质结材料的第一性原理研究很长一段时间,那些“迷人”但同时“不寻常”的物理预测有时只是用于新奇理论思维实验的模型,以考虑宇宙的起源,甚至只可以在学生的课程中展示。
这可以被称之为’前石墨烯’时代。
自从十多年石墨烯被发现以来,二维层状材料因其展现出了许多理论预测的奇特物理和化学现象吸引了研究者们的极大关注,并一直是材料研究的焦点之一。
虽然这种材料的制备过程是简单的“一小步”——使用透明胶带进行机械剥离,但石墨烯的诞生所带来技术的进步实际上是科学发展历程中的“一大步”。
二维层状材料中的每一层内由共价键结合的无悬挂键的原子结构组成,并且通过范德瓦尔斯相互作用与相邻层弱结合。
这使得分离、混合和匹配不同种类的原子层以制备各种类型的范德瓦尔斯异质结变得更加容易,而不受晶格匹配和处理兼容性的限制。
利用不同二维金属、半半导体或绝缘体材料叠合所形成的范德瓦尔斯异质结可以用来设计许多电子器件,包括隧道晶体管、晶闸管、柔性电子器件以及包括光电探测器、光伏器件和发光器件的光电器件,这些器件展现出了许多前所未有的特性与独特的功能。
然而,对范德瓦尔斯异质结的研究中依然存在许多问题与机理需要澄清。
本论文主要通过采用第一性原理计算等研究方法对范德瓦尔斯异质结中电子结构、载流子迁移率以及部分力学性能等进行模拟计算研究。
本研究的主要内成果如下:1)针对具有一定厚度的薄膜材料体系,对基于与形变势能理论的载流子计算公式进行了重新的修正推导,同时结合全新开发的大体系第一性原理计算程序RESCU,研究了二维六方氮化硼包覆的二维硒化铟范德瓦尔斯异质结中的声子散射限制的载流子迁移率,其中最大的计算体系包含了 2200余个原子。
研究表明,相比未包覆的二维硒化铟材料,六方氮化硼的包覆提升了异质结构的弹性劲度系数,影响了其中声子散射的状态,从而解释了实验中观察到的异质结构载流子迁移率的极大提升。
本研究揭示了二维范德瓦尔斯异质结中力学性能的改变对材料中基于声子散射限制的载流子迁移率的提升有着至关重要的作用,此结论可以适用于其他同类型的二维范德瓦尔斯异质结构中。
石墨烯缺陷及其对电子结构和储锂性能的影响
石墨烯缺陷及其对电子结构和储锂性能的影响
姚利花;赵建国;潘启亮;蒋尚;李春成;李经纬
【期刊名称】《中国有色金属学报》
【年(卷),期】2022(32)7
【摘要】锂离子电池因其优异的电化学性能和力学性能受到人们的广泛关注。
虽然这些电池已经被广泛使用和商业化,但研究人员仍在对其电极材料和技术进行广泛的研究,以提高其安全性、寿命、比容量、能量密度以及降低成本等。
石墨烯由于其开放的层结构、特殊的电子结构和优异的导电性而广泛应用于锂离子电池的负极材料。
本文从石墨烯的微观结构出发,介绍石墨烯中的缺陷对石墨烯电子结构和储锂性能的影响以及相关研究的最新进展,阐明石墨烯微结构和电子结构与作为锂离子电池负极材料的电化学性能之间的关系。
此外,还对石墨烯负极材料当前存在的问题及未来的研究方向进行总结,为锂离子电池的发展和应用提供指导。
【总页数】15页(P2027-2041)
【作者】姚利花;赵建国;潘启亮;蒋尚;李春成;李经纬
【作者单位】山西大同大学机电工程学院;山西大同大学炭材料研究所
【正文语种】中文
【中图分类】O738;O474
【相关文献】
1.外电场对锂修饰氧化石墨烯结构储氢性能的影响
2.第一性原理研究锂修饰的类石墨烯碳氮纳米结构的储氢性能
3.石墨烯负载团簇结构CoFe2O4及其电化学储锂性
能4.单缺陷对Sc,Ti,V修饰石墨烯的结构及储氢性能的影响5.Si_(n)团簇/石墨烯(n≤6)结构稳定性和储锂性能的第一性原理计算
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空位石墨烯
空位石墨烯空位石墨烯，是一种被科学家们广泛关注的新型材料。
它的独特结构和性质，让人们对它寄予了很高的期望，认为它有可能带来革命性的科技进步和应用。
本文将从空位石墨烯的定义、结构、性质、制备和应用等方面进行探讨。
一、定义石墨烯是由碳原子构成的二维晶体，具有极高的导电性、热导率和强度等优异性质。
而空位石墨烯则是在石墨烯中人为地引入了一些缺陷或空位，使其具有更为特殊的性质和应用潜力。
二、结构石墨烯的结构是由一个个六边形的碳原子构成的，而空位石墨烯则是在这个六边形中引入了一些缺陷，形成了不同的结构。
常见的缺陷有单个碳原子的缺失、双碳原子的缺失、碳原子的置换和氧原子的引入等。
三、性质空位石墨烯的性质与其缺陷的类型和数量密切相关。
一般来说，单个碳原子的缺失会导致石墨烯的导电性降低，而双碳原子的缺失则会导致石墨烯的热导率降低。
碳原子的置换则会影响石墨烯的机械性能和稳定性，而氧原子的引入则会使石墨烯具有更为广泛的应用前景。
四、制备目前，制备空位石墨烯的方法主要有以下几种：1. 机械剥离法：通过机械剥离的方式将石墨烯层剥离出来，然后通过刻蚀或化学氧化等方法引入缺陷。
2. 离子轰击法：利用离子束轰击的方式在石墨烯表面引入缺陷。
3. 化学氧化法：通过化学氧化的方式在石墨烯表面引入氧原子，从而形成空位石墨烯。
五、应用空位石墨烯具有丰富的应用前景，主要包括以下几个方面：1. 电子器件：空位石墨烯的导电性能和电学特性使其成为制备高性能电子器件的有力候选材料。
2. 催化剂：空位石墨烯的缺陷结构和氧原子引入使其具有优异的催化性能，可以用于制备高效的催化剂。
3. 传感器：空位石墨烯的独特性质和缺陷结构使其成为制备高灵敏度、高选择性的传感器的理想材料。
4. 能源材料：空位石墨烯的热导率和机械性能使其成为制备高性能能源材料的有力候选。
总之，空位石墨烯是一种具有广泛应用前景的新型材料。
随着制备技术的不断进步和应用研究的深入开展，相信它将为人类带来更多的科技进步和创新。
扶手椅型氮化硼纳米带双空位缺陷第一性原理研究
第39卷 第1期陕西师范大学学报(自然科学版)Vol.39 N o.12011年1月Journal of Shaanx i Norm al U niversity (Natur al Science Edition)Jan.2011文章编号:1672 4291(2011)01 0023 04收稿日期:2010 06 01基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)项目(2004CB619302);国家自然科学基金资助项目(51071098).作者简介:郑芳玲,女,硕士研究生,研究方向为纳米材料.*通信作者:张建民,男,教授,博士研究生导师.E mail:jianm zhang@.扶手椅型氮化硼纳米带双空位缺陷第一性原理研究郑芳玲, 张建民*(陕西师范大学物理学与信息技术学院,陕西西安710062)摘 要:在广义梯度近似下,采用密度泛函理论框架下的第一性原理投影缀加波赝势方法,研究了扶手椅型氮化硼(BN)纳米带(锯齿边缘)双空位缺陷效应.结果表明:垂直双空位结构优化后形成一个14环,斜向双空位在奇数宽度纳米带中形成4 10 4环,而在偶数宽度纳米带中形成5 8 5环.这两种双空位的形成过程是吸热的,垂直双空位的形成能比斜向双空位的形成能高.随着BN 纳米带宽度的增加,两种双空位的形成能均有减少.双空位的存在虽不改变BN 纳米带的半导体特性,但改变了费米能级附近的能带结构.关键词:BN 纳米带;双空位缺陷;电子结构;能带结构;第一性原理中图分类号:O562.1 文献标志码:AThe first principles study of armchair BN nanoribbon with divacancyZH ENG Fang ling ,ZH AN G Jian min *(Co lleg e of Physics and Inform ation T echno logy ,Shaanx i Nor mal U niversity ,Xi an 710062,Shaanxi,China)Abstract:Under the g eneralized g radient approx imatio n (GGA),the divacancy effect on ar mchair (Bo ron Nitr ide)nanoribbon (w ith zigzag edge shape)are investig ated by using the first principles pro jecto r aug mented w ave (PAW )potential w ithin the density function theo ry (DFT )fram ew ork.The r esults show that o ptimized geometry of BN nano ribbon w ith vertical divacancy generates a 14r ing.T he 4 10 4str ucture appears fo r odd w idth of BN nanoribbo n w ith slo pe divacancy w hile a 5 8 5structure exists for even w idth of BN nano ribbon w ith slo pe divacancy.In addition,the form ation of a v acancy is an endo theric procedur e and the form ation energy of the BN nano ribbon to pr oduce v er tical divacancy is higher than that of slope div acancy.The for matio n energy decreases with ribbon w idth incr easing.T he BN nanoribbo n w ith divacancy is still semiconducto r,o nly the band structure near the Fermi level chang es.Key words:BN nanoribbo n;div acancy defect;electro nic structures;band structure;first pr inciples近年来,扶手型石墨纳米带因其迷人的电子特性和在纳米器件方面的潜在应用,已受到人们的日益关注.当带两边具有相同的磁序时,则具有金属性[1];当纳米带两边的磁序相反时,则具有半导体特性[2 3].非自旋极化计算表明,扶手椅型石墨纳米带具有金属性并存在边缘效应[4 5].在纳米带制备过程中,不可避免存在各种缺陷,如拓扑缺陷、吸附原子和空位等,这些缺陷会影响其结构和性能[6 7].欧阳24 陕西师范大学学报(自然科学版)第39卷方平等人利用第一性原理研究了扶手椅型石墨纳米带的单空位缺陷和双空位缺陷[8 9].石墨纳米带的等电子结构与氮化硼(BN)纳米带,由于其典型的离子特性而具有不同于石墨纳米带的性质.扶手椅型BN 纳米带具有半导体特性,且其带隙随着纳米带宽度的增加而单调减小[10].本文应用第一性原理研究双空位缺陷对扶手椅型BN 纳米带电子结构和能带结构的影响.1 计算方法本文所有计算采用密度泛函理论(the density function theor y,DFT )平面波赝势方法的Vienna ab initio simulatio n packag e (V ASP )软件包完成[11 14].在计算中,离子和电子间的相互作用采用投影缀加波(pro jecto r augmented w ave,PAW )[15]描述,交换关联能采用广义梯度近似(the generalized gr adient appr oxim ation,GGA )下的PBE 模型处理[16],它对很多材料都能提供非常精确的结构和能量信息.N 、B 和H 的价电子分别为2s 22p 3、2s 22p 1和1s 1.收敛判据的能量差小于10-4eV,且作用到每个原子上的力小于0.2eV/nm.平面波截断能取450eV;k 点网格用Gam ma 为中心的M onkho rst Pack 方案自动生成.为了防止由于周期性边界条件带来的人为相互作用,在纳米带与其周期镜像之间加厚度为1.5nm 的真空层.在BN 纳米带中去掉一个N 原子和一个相邻B 原子而形成双空位缺陷.考虑去掉的两个原子间连线与纳米带轴的取向不同,分为垂直和斜向两种情况,分别用arm(m,n ) 2v 和arm (m,n ) 2s 表示,其中arm 表示扶手椅型,m 表示纳米带的宽度(即横过纳米带的之字形链的条数),n 表示沿纳米带轴方向的超晶胞周期中所包含的完整BN 纳米带的原胞周期个数,2v 和2s 分别表示垂直双空位和斜向双空位.本工作研究的ar m (7,2) 2v 、arm (7,2) 2s 、arm(8,2) 2v 和(d)arm(8,2) 2s 的BN 纳米带优化后的2个超晶胞结构如图1所示.图1 双空位缺陷模型扶手椅型BN 纳米带的优化结构Fig.1 The optimized geometries of divacancy defect of armchair BN nanoribbona.arm(7,2) 2v ;b.ar m(7,2) 2s ;c.a rm(8,2) 2v ;d.arm(8,2) 2s .2 计算结果和讨论从图1可看出,垂直双空位结构优化后形成一个14环,而斜向双空位却发生大的改变.在arm(7,2) 2s 中形成4 10 4环,在arm (8,2) 2s 中形成5 8 5环.表1给出了不同取向的双空位缺陷在不同尺寸的BN 纳米带中的形成能.空位缺陷形成能由下列公式计算得到E form =E van -E ideal + N + B .(1)其中E van 是含缺陷的BN 纳米带的总能,E ideal 是相应的完整的BN 纳米带的总能, N 和 B 分别是N 原子和B 原子的化学势.从定义式来看,E form >0,说明双空位缺陷形成过程是吸热过程;E form <0,表明双空位缺陷形成过程是放热过程.计算发现,缺陷类型第1期郑芳玲等:扶手椅型氮化硼纳米带双空位缺陷第一性原理研究25分别为arm (7,2) 2v 、arm (7,2) 2s 、ar m (8,2) 2v 、ar m (8,2) 2s;其形成能分别为22.818258、19.928866、22.800656、18.980411eV.BN 纳米带中双空位缺陷形成过程是吸热过程.垂直双空位的形成能比斜向双空位的形成能高3eV,随着BN 纳米带宽度的增加,两种双空位的形成能均有减少.图2给出了完整的扶手椅型(7,2)和(8,2)BN 纳米带以及相应的两种双空位缺陷BN 纳米带的能带结构.可以看出,完整arm (7,2)和arm (8,2)为间接带隙半导体.其带隙分别为4.196和4.146eV.与完整扶手椅BN 纳米带能带图相比较,双空位缺陷BN 纳米带的费米能级上移,尤其是垂直双空位的费米能级;其次,双空位缺陷BN 纳米带的能带结构发生改变.arm (7,2) 2v 、arm (7,2) 2s 和arm (8,2) 2v 均变为直接带隙半导体且能带带隙分别减小到2.186、3.486和2.202eV.而ar m(8,2) 2s 仍为间接半导体,其带隙减小为2.843eV.第三,双空位缺陷BN 纳米带的费米能级改变量越大,其带隙改变量也越大.图2 完整和双空位缺陷扶手椅型BN 纳米带的能带结构Fig.2 The band structures of the pristine and divacancy def ected BN nanoribbona.ar m(7,2)完整;b.arm(7,2) 2v ;c.ar m(7,2) 2s ;d.a rm(8,2)完整;e.ar m(8,2) 2v ;f.arm(8,2) 2s .3 结论在广义梯度近似下,采用密度泛函理论框架下的第一性原理投影缀加波赝势方法,研究了扶手椅型BN 纳米带(具有锯齿边缘)的双空位缺陷效应.结果发现:垂直双空位结构优化后形成一个14环,对于斜向双空位,在奇数宽度的纳米带中形成4 10 4环,而在偶数宽度的纳米带中形成5 8 5环;BN 纳米带中双空位缺陷形成过程是吸热过程,垂直双空位的形成能比斜向双空位的形成能要高,随着BN 纳米带宽度的增加,其空位缺陷形成能也均有减少;双空位缺陷的存在并没有改变BN 纳米26陕西师范大学学报(自然科学版)第39卷带的半导体特性,但改变了费米能级附近的能带结构.参考文献:[1]K atsunor i W akabayashi,M itsutaka F ujita,H ir oshi A jiki,et al.Electr onic and magnetic pro per ties of anog raphite ribbons[J].Physical R ev iew:B,1999,59(12):8271 8282.[2]Son Y W,Cohen M L,Lo uie S G.Energ y Gaps in Gr aphene Nanor ibbo ns[J].P hysical Review L etters,2006, 97(21):2168031 2168034.[3]Pisani L,Chan J A,M ontanari B,et al.Electr onic str ucture and magnetic properties of graphitic 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第一性原理计算石墨烯综述
第一性原理计算石墨烯综述第一性原理计算综述引言理论计算模拟是除了实验方法外的另一种更好的探究和理解微观物质的内在机理和运动规律手段，对实验的相关结果也起重要的参考和补充作用。
对于纳米尺度上的理论研究，基于密度泛函理论的第一性原理计算是最为常见的方法之一。
第一性原理计算方法中不使用经验参数，只使用光速，电子质量，质子和中子的质量等少数物理参数，通过自洽迭代方法求解薛定谔方程来预测纳米材料的有关结构和特性。
第一性原理方法可以从电子轨道层面准确地模拟和预测材料特性。
同时，结合基于密度泛函理论的分子动力学模拟方法，基本上可以准确地判断和预测材料的结构特性。
这一过程只需要一个基于若干计算机的工作机群内，对大投资的传统实验开发是一个巨大的冲击。
虽然目前第一性原理计算方法的结果与完全精确地物性模拟还有一段距离，但是通过各种理论的修正，可以在一定程度上减小计算误差，提高预测的准确性，这也是目前第一性原理计算所采用的主要处理手段。
可以想象，随着第一性原理计算体系的逐渐完善，它必将作为一个不可缺少的科研工具，在纳米器件的工作平台上作为交互前端出现，承担大部分的设计与预测工作。
理论基础第一性原理计算资源TD-DFT应用实例Hubbard模型和VASP应用实例Hubbard模型是考虑固体中电子短程库仑排斥力的一种非常简化的模型。
这个简化的模型考虑了固体中运动电子量子机理，和电子间的非线性排斥作用。
Hubbard模型在物理的理论研究方面还是一个非常重要的模型。
尽管模型中物理表示非常简化，但却能反映出各种有趣的现象，如金属．绝缘体的相互转变，反铁磁体系，铁磁体系，流体和超导体。
本文中我们利用在紧束缚近似下的Hubbard 模型验证了第一性原理的结果。
计算所采用的软件是VASP，，它使用赝势和平面波基组来进行从头算量子力学分子动力学计算。
离子和电子的相互作用用投影缀加波(PAW)方法来描述。
电子的交换关联采用GGA-PW91泛函。
二维材料的生长机理与功能性设计的第一性原理研究
二维材料的生长机理与功能性设计的第一性原理研究2004年石墨烯单层被发现并通过机械剥离的方法成功制备,打开了人们探索二维材料新世界的大门。
二维材料的发现在物理、化学、材料等领域引起了广泛关注。
大量二维材料的发现、合成及其特殊的性质为基础科学的研究和探索提供了新的平台,也为功能性材料的设计提供了新的材料载体。
在研究二维材料的诸多奇特性质的过程中,有一些基本问题引起了人们更多的关注,包括低维材料的合成与制备、生长机理、自旋半金属性、电子能隙调控、电子拓扑态和异质结中的性能调控等。
进一步理解或解决这些问题,对于功能性材料的性能调控和应用有着重要意义。
这篇论文使用第一性原理计算和理论分析相结合的方法,对特定二维材料体系的基本性质进行研究、调控和功能性设计。
论文的结构如下:第一章,主要介绍二维材料的种类、共性及其与常规三维材料的区别,二维材料的制备方法和生长机理等。
首先简单介绍二维材料的制备方法和相应的生长机理。
其次介绍二维材料的种类多样性和由于其低维度导致的丰富的可调性,包括物理性质、低维磁性和化学性质等。
最后简单介绍二维材料性能调控中常见的研究方法和近期取得的一些重要研究进展等。
第二章,先是简单介绍第一性原理计算的理论基础,包括密度泛函理论的基本框架、计算中常用的一些交换关联泛函和一些常用的计算程序包等。
接着介绍研究中用到的与第一性原理相结合的其它计算模拟方法。
第三章,研究了蓝磷在合适衬底上的生长机理。
通过系统对比不同衬底上蓝磷和黑磷的结合能,发现Cu(111),Au(111)和GaN(0001)有利于黑磷和蓝磷的稳定。
其中半导体材料GaN(0001)更有利于后续的器件设计和应用,可以不用转移直接进行器件设计,我们重点研究GaN(0001)衬底上磷二维单层的生长机理。
进一步地,通过能量稳定性、分子动力学和热稳定性的分析,发现在GaN(0001)衬底上,蓝磷相比黑磷有更好的稳定性。
通过系统的计算、动力学模拟和理论分析,我们发现蓝磷在GaN(0001)衬底上可能会遵循一种半层半层生长的新的模式生长。
第一性原理在石墨烯的应用
第一性原理在石墨烯的应用介绍石墨烯是一种由碳原子构成的二维材料，具有许多独特的性质和潜在的应用。
为了进一步了解石墨烯的性质和探索其潜在的应用，科学家们使用第一性原理计算方法对其进行研究。
本文将介绍第一性原理在石墨烯中的应用，并探讨其对石墨烯研究和应用的影响。
什么是第一性原理计算方法？第一性原理计算方法是一种基于量子力学原理的计算方法，用于研究材料的性质和行为。
它基于薛定谔方程，通过求解系统的波函数来计算材料的电子结构和物理性质。
第一性原理计算方法不依赖于实验数据，只通过对材料原子和电子的基本物理原理进行计算，从理论层面上预测和解释材料的性质。
石墨烯的结构和性质石墨烯是一种具有二维晶体结构的材料，每个石墨烯层由碳原子组成，形成六边形的晶格结构。
石墨烯具有许多独特的性质，包括优异的电子传输性能，高载流子迁移率，高稳定性，以及优异的力学强度等。
这些性质使得石墨烯被广泛应用于电子器件、能源存储、传感器等领域。
第一性原理计算在石墨烯研究中的应用1. 电子结构计算第一性原理计算方法可以用于计算石墨烯的电子结构。
通过求解薛定谔方程，可以得到石墨烯中电子的能级分布、能带结构和导电性等信息。
这些计算结果可以帮助科学家们理解石墨烯的导电行为以及其它电子性质，为石墨烯的应用提供理论基础。
2. 力学性质计算除了电子结构，第一性原理计算方法还可以用于计算石墨烯的力学性质，如弹性常数、应力应变关系等。
这些计算结果可以帮助科学家们了解石墨烯的力学强度、柔韧性以及形变行为，为石墨烯的应用提供重要参考。
3. 缺陷和杂质石墨烯中可能存在缺陷和杂质，这些缺陷和杂质对石墨烯的性质和应用有着重要的影响。
第一性原理计算方法可以帮助科学家们研究石墨烯中的缺陷和杂质，并预测它们对石墨烯性质的影响。
这些计算结果可以指导石墨烯的制备和应用，以提高石墨烯的性能和稳定性。
4. 势垒高度和电子传输石墨烯中的势垒高度和电子传输是石墨烯中重要的性质，可以影响电子器件的性能。
一些二维材料的第一性原理计算与设计共3篇
一些二维材料的第一性原理计算与设计共3篇一些二维材料的第一性原理计算与设计1二维材料是指厚度在纳米级别的材料，具有与普通材料不同的物理和化学性质，主要由单层或几层原子构成。
由于其独特的特性，二维材料在纳米科技、能源、生物医学和信息技术等领域具有广泛的应用前景。
随着计算机模拟技术和第一性原理计算方法的发展，人们可以通过计算机模拟研究和设计新型二维材料，以满足不同领域的需求。
在计算机模拟中，第一性原理计算方法是最为常见的一种方法。
它基于原子的基本物理规律，利用量子力学理论描述材料的电子结构和性质。
其中最为常用的是密度泛函理论。
密度泛函理论是一种基于材料的总能量与电子密度之间的函数关系得出材料性质的理论方法，它可以计算出材料中电子的能量、波函数和密度等量子力学性质，进而计算材料的物理和化学性质。
二维材料的第一性原理计算与设计可以从以下几个方面展开研究。
首先，可以通过计算机模拟研究二维材料的晶格结构和性质。
二维材料的晶格结构对其电子结构和性质具有非常重要的影响。
通过第一性原理计算，可以得到二维材料的能带结构、动态性质和热力学性质等信息，为研究二维材料的性质提供依据。
其次，可以利用第一性原理计算研究二维材料的机械性质。
二维材料的机械性质是其应用中的一个重要参数，如弹性模量、抗拉强度等。
通过第一性原理计算，可以计算出二维材料的弹性常数和应力应变曲线等机械性质，为材料应用提供依据。
第三，可以通过第一性原理计算探究二维材料的电学和光学性质。
二维材料的电学和光学性质是其在电子输运、能源转化、光电功能等方面应用的重要参数。
通过第一性原理计算可以计算出二维材料的吸收光谱、荧光光谱、电导率等电学和光学性质，为材料的应用提供重要参数。
在设计二维材料的应用时，可以结合第一性原理计算结果进行材料设计和构造，并进行实验验证。
例如，通过计算、设计和合成具有特殊表面基团的二维材料，实现了具有特殊光学和电学性质的二维材料的应用。
总之，随着第一性原理计算方法和计算机模拟技术的不断发展，二维材料的第一性原理计算和设计可以为其应用提供重要的理论、计算和实验支持，对推动材料科学和纳米科技的发展将起到重要的促进作用二维材料的研究已成为纳米材料领域的热点，其在电子学、催化学和生物医学等方面的应用具有巨大的潜力。
二维材料的生长机理与功能性设计的第一性原理研究共3篇
二维材料的生长机理与功能性设计的第一性原理研究共3篇二维材料的生长机理与功能性设计的第一性原理研究1随着科技和科学的发展，人们对于材料的需求越来越高。
而在这些材料中，二维材料因其在微观尺度上独特的性质而备受关注。
它们在电子、光学、力学等领域都具有很高的应用潜力。
因此，了解二维材料的生长机理以及如何对其进行功能性设计是非常重要的。
二维材料的生长机理是指控制其在微观尺度上的形态和结构的方法。
目前，人们已经开发出了许多方法来生长二维材料，如化学气相沉积法、机械剥离法、溶剂剥离法等。
其中化学气相沉积法是最常用的方法之一。
通过这种方法，可以在晶体衬底上生长出单晶的二维材料。
这种方法的成功率高，可以得到不同种类的二维材料。
但是，由于材料间作用的不同，不同的二维材料生长机理也是不同的。
因此，针对不同的二维材料，需要采用不同的生长方法。
同时，通过对二维材料的生长机理的研究，人们可以优化其性能，并进行功能性设计。
例如，在石墨烯的生长中，人们可以调整晶体生长的方向和控制其层数，从而实现石墨烯的电子结构和电学性能的调控。
在二硫化钼的生长中，人们可以控制其反应条件，从而改变其晶体结构和光学性能。
因此，生长方法的改进和功能性设计的实现可以大大提高二维材料的应用价值。
从第一性原理来研究二维材料的生长机理和功能性设计，是目前最为有效的方法之一。
第一性原理是一种计算方法，可以通过基本物理规律对物质的结构和性质进行精确计算。
通过第一性原理研究，人们可以得到材料的能带结构、电荷密度分布、晶胞构型、相变等信息。
这些信息不仅有助于了解材料的性质和性能，还可以指导实验研究，实现新材料的开发。
总之，在研究二维材料的生长机理与功能性设计方面，需要采用多种方法和手段。
通过理论计算和实验研究，我们可以更好地了解二维材料的性质和应用价值，为其应用提供更加坚实的理论基础和技术保障综上所述，研究二维材料的生长机理与功能性设计对于材料学的发展至关重要。
空位缺陷对zigzag型石墨烯纳米带电子结构的影响
空位缺陷对zigzag型石墨烯纳米带电子结构的影响徐慧;张丹;陈灵娜【摘要】Using the ab initio density-functional theory method, the electronic structures of zigzag graphene nanoribbons(ZGNRs) with different numbers of carbon defects were calculated. The results show that all of the defected structures are quasi-metallicity, and the electronic structure characteristics depend on the number of the defected carbons and unsaturated degree of defect position in ZGNRs. The defected bands can be introduced by the states of defects and also there are three energy bands close to Feimi level when the number of defected carbons is odd, otherwise there are only two energy bands for even. With the increase of the number of defected carbons, the peaks of density of states near Fermi level decrease.%为了了解空位缺陷对zigzag型石墨烯纳米带电子结构的影响,采用基于密度泛函理论的第一性原理,计算含不同空位碳原子数的缺陷zigzag型石墨烯纳米带的电子结构.研究结果表明:含缺陷的zigzag型石墨烯纳米带都呈现出类金属性的电子结构特征,其电子结构与缺失碳原子的含量及缺陷位置附近碳原子的饱和度密切相关；缺陷的存在会引入缺陷能级,当缺失的碳原子数为奇数时,费米面附近存在3条能级；当缺失的碳原子数为偶数时,费米面附近只有2条能级；随着空位缺陷的增加,缺陷处碳原子的不饱和度也增加,从而费米能附近的态密度峰出现相应衰减.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(043)009【总页数】7页(P3510-3516)【关键词】zigzag石墨烯纳米带;空位缺陷;电子结构【作者】徐慧;张丹;陈灵娜【作者单位】中南大学物理与电子学院,湖南长沙,410083;中南大学材料科学与工程学院,湖南长沙,410083;中南大学物理与电子学院,湖南长沙,410083;中南大学材料科学与工程学院,湖南长沙,410083【正文语种】中文【中图分类】O469人们对石墨纳米带的理论研究最早可以追溯到20世纪90年代[1−3]。
二维半导体材料磁性的第一性原理研究
环球市场理论探讨/-71-二维半导体材料磁性的第一性原理研究甄红昌天津中环领先材料技术有限公司摘要：磁性半导体同时具有铁磁性和半导体的性质，并能很好地与半导体工艺兼容，以石墨烯为代表的二维晶体材料由于其本身独特的优异性能和潜在的应用价值引起了广泛的关注，尝试用石墨烯作为碳基自旋电子学材料的研究。
但是单层石墨烯的零带隙限制了其在纳米电子器件中的实际应用。
单层MoS 2、单层磷烯以及单层TiS3是内禀非磁性的，为使它们有效地应用于纳米自旋电子器件，需要在其中引入可调控的磁性。
因此探索在单层二维晶体材料中有效地产生磁性是凝聚态物理磁学研究领域的热点问题之一。
本文就对二维半导体材料磁性的第一性原理相关方面进行探讨。
关键词：二维半导体材料；磁性；第一性原理1几种二维半导体材料首先是过渡金属二硫化物，其化学式写为MX2(M 为过渡金属元素，X 为硫族元素)，过渡金属二硫化物由X-M-X 三层原子组成的三明治层状结构堆叠而成，X-M-X 三层原子形成的过渡金属二硫化物单层具有H(Honeycomb)和T(Centeredhoneycomb)型两种晶体结构。
与石墨烯类似，单层(或几层)过渡金属二硫化物可以从其体材料剥离出来，也可通过化学气相沉积及分子束外延生长等方式合成。
其中，单层MoS 2是二维过渡金属二硫化物的典型代表，其具有约为1.9eV 的直接带隙，在室温下的载流子迁移率约为200cm 2V -1S -1。
相关研究表明单层MoS 2在半导体器件方面的应用前景非常广阔。
另外一种典型的二维半导体材料是磷烯—即很少的几个褶皱的蜂窝状的P 原子层构成的黑磷。
2014年，单层磷烯被成功从黑磷中剥离，其中每一个磷原子与其周围的三个磷原子成共价键，形成褶皱的P 原子单层。
相比于石墨烯的零带隙，磷烯具有约为0.59~1.5eV 的带隙，而相对于单层MoS 2的低载流子迁移率，磷烯室温下的载流子迁移率高达103cm 2V -1S -1以上。
双空位缺陷双层石墨烯储钠性能的第一性原理研究
Received: July 25, 2016; Revised: November 14, 2016; Published online: November 15, 2016. *Corresponding author. Email: lgdysb@. The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (51274119, 21503039). 国家自然科学基金(51274119, 21503039)资助项目
用 3 × 3 超胞 C34(图 1(a))和 4 × 4 超胞 C62 (图 1(b))模
型，分别作为高浓度和低浓度缺陷结构，晶格常
数 分 别 设 置 为 a = b = 0.738 nm 和 a = b = 0.984
nm，沿 z 轴方向设置 2 nm 真空层以避免超胞之间
产生耦合作用。通过收敛性测试，两种模型平面
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No.3
杨绍斌等：双空位缺陷双层石墨烯储钠性能的第一性原理研究
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Key Words: Bilayer graphene; Defect; Capacity; Density function theory; Diffusion
2 计算模型和方法
计 算 基 于 DFT 的 CASTEP18 软 件 ， 交 换 关 联
能 采 用 广 义 梯 度 近 似 (GGA) 下 的 PBE19 泛 函 和 范
德华修正的 Grimme20 和 TS21 方法，采用超软赝势
(ultrasoft-pseudopotentials)22。DV 缺陷 BLG 模型采
空位和Si掺杂对In在石墨烯上吸附的影响
空位和Si掺杂对In在石墨烯上吸附的影响戴宪起;孙永灿;赵建华;危书义【摘要】利用第一性原理方法计算了空位和Si(硅)替位掺杂对In(钢)原子在石墨烯上吸附的影响.结果表明:在低覆盖度下,空位比Si替位掺杂更能增强In在石墨烯上的吸附,主要原因在于空位引入更多的悬挂键,加强了In和石墨烯之间相互作用.而对于较高覆盖度,Si替位掺杂却比空位对In吸附在石墨烯上的影响更强.无论是较高覆盖度还是低覆盖度,空位和Si替位掺杂均增强了In在石墨烯上的吸附.%First-principles calculations were carried out to study the effect of vacancies and Si-dopant on indium ( In) adsorption on graphene. It is demonstrated that a vacancy or a Si-dopant strengthens In adsorption on graphene. The effect of the vacancy is greater at low In coverage than that of Si impurity, owing to the fact that the vacancy provides more dangling bonds for In adsorption, which strengthens the interaction between the In atom and graphene. However, the Si impurity affects In adsorption on graphene stronger than that the vacancy does at high In coverage (i. e. 1/6).【期刊名称】《新型炭材料》【年(卷),期】2011(026)001【总页数】6页(P46-51)【关键词】第一性原理;吸附;空位;掺杂;铟;硅;石墨烯【作者】戴宪起;孙永灿;赵建华;危书义【作者单位】河南师范大学,物理与信息工程学院,河南新乡,453007;河南师范大学,物理与信息工程学院,河南新乡,453007;河南师范大学,物理与信息工程学院,河南新乡,453007;河南师范大学,物理与信息工程学院,河南新乡,453007【正文语种】中文【中图分类】TQ127.1+11 前言石墨烯是目前发现的能在环境中独立稳定存在的、严格意义上的二维晶体[1-2],其厚度仅为一个碳原子层。
第一性原理的应用方法
第一性原理的应用方法1. 简介第一性原理是指基于自然法则和物理方程的理论推导方法，以基本原理为出发点，通过解析和计算原子、电子等基本粒子的运动和相互作用，从而得到更为精确和可靠的结果。
在材料科学、化学、物理学等领域中，第一性原理被广泛应用于材料设计、催化剂开发、电子结构研究等方面。
2. 第一性原理的基本原理第一性原理方法的核心是薛定谔方程，通过求解薛定谔方程，可以得到体系的波函数和能量。
从波函数和能量出发，可以进一步计算出其他物理性质，如晶格常数、电子结构、力学性质等。
第一性原理方法不依赖于任何经验参数，完全基于基本物理规律，因此具有较高的准确性和可靠性。
3. 第一性原理的应用方法3.1 材料设计在材料科学领域，第一性原理方法常被用于材料的设计和优化。
通过计算材料的能带结构、形成能、表面态等性质，可以预测材料的光学、电子、磁性等性质。
基于这些计算结果，可以有针对性地设计新型材料，如高温超导材料、催化剂等。
3.2 催化剂开发催化剂是化学反应过程中起催化作用的物质。
第一性原理方法可以帮助科学家理解催化剂的反应机制，预测催化反应的中间态及能量，为催化剂的设计和优化提供理论依据。
利用第一性原理计算，可以找到更高效、更稳定的催化剂。
3.3 电子结构研究第一性原理方法在电子结构研究中有着广泛的应用。
通过计算电子的能级分布、能带结构和态密度等性质，可以揭示材料的导电、磁性、光学等性质。
此外，还可以通过计算电子的散射行为等来研究材料的输运性质，为材料的设计提供指导和优化方案。
3.4 力学性质预测第一性原理方法可以通过计算材料的晶格常数、弹性常数、缺陷形成能等来预测材料的力学性质。
这对于材料的机械性能分析、材料性能改进具有重要意义。
通过计算力学性质，可以指导材料工程的设计和材料选择。
4. 应用案例4.1 新型材料开发基于第一性原理的计算方法，科学家们成功预测了一系列新型材料的性质，如二维材料石墨烯、新型超导材料等。
第一性原理研究石墨烯在锂硫电池和钠离子电池中的应用
摘要摘要锂离子电池是现代科技的核心技术之一，锂离子电池具有很多优越性能，已在手机、移动充电器等便携式设备中得到了广泛的应用，此外，有望应用到电动汽车、航天航空等其它高新领域。
然而随着社会经济的发展，当前的锂离子电池已经无法满足市场的需求，人们对它的实用性要求越来越高，例如对它的功率、能量密度和充放电速率等性能的要求。
最近，锂-硫电池激起了很多研究者的兴趣，原因是硫具有巨大的比容量（1673 mAhg-1）。
此外，硫是丰富的、廉价的且环境友好的。
同时，锂-硫电）的低电导率（在25℃时的电导率为池的缺点也是明显的，包括长硫链（如S85x10-30 S cm-1）和多硫锂化物的高溶解率（多硫锂化物很容易溶解在电极溶液中，引起活性硫的损耗）。
这些问题限制了锂-硫电池的循环寿命，为了防止锂硫化合物在电解液中的溶解，目前，国际上实验研究主要集中在包含硫的复合碳纳米材料上，如介孔和微孔碳材料，石墨烯和氧化石墨烯，碳纳米管，碳纤维，和空心介孔相材料等。
虽然在不同类型的碳材料的探索上，大家付出了很大努力，但是对其中的微观机制，目前的理解还非常有限。
由于锂资源并不丰富，它的可利用性受到了很大限制。
随着锂离子电池的市场化，原材料价格也相应地提高了，导致成本明显提高。
最近，钠离子电池受到广泛关注。
钠离子电池与锂离子电池原理相似，钠资源丰富，钠离子电池被认为有希望部分代替锂离子电池。
实际研究中，国际上各研究团体发现找到合适的负极材料很困难，原因是钠离子的离子半径(~98-102 pm) 远大于锂离子的半径(76 pm)。
锂与石墨复合可形成稳定的嵌层化合物LiC6，因此石墨可作为一个很好的锂离子电池的负极材料，但是对于钠离子，与石墨复合仅可形成稳定的嵌层化合物NaC64，导致石墨只有~35mAh/g的电容量。
目前，实验上正在探索硬碳、软碳、膨胀石墨等碳材料，希望寻找一种优秀的钠离子负极材料。
在本论文中，针对上面提到的锂、钠离子电池中的两个问题，我们研究了（1）锂硫团簇与石墨烯及缺陷石墨烯的相互作用，（2）钠离子和钠离子团簇在石墨烯及缺陷石墨烯中的存储。