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低维材料物性的非均匀应变调控

物理学报 2022年第12期71卷 283-296页

作者：王娅巽郭迪李建高张东波北京师范大学核科学与技术学院北京100875

探索低维材料的新奇物性是当前凝聚态物理和材料科学基础研究的一个重要前沿.应变是调控低维材料物性的一个重要手段.相比于块体材料,低维材料通常具有良好的力学柔韧性,并表现出敏锐的结构-电子响应关系,因此可以通过结构变形对材料电... 详细信息

探索低维材料的新奇物性是当前凝聚态物理和材料科学基础研究的一个重要前沿.应变是调控低维材料物性的一个重要手段.相比于块体材料,低维材料通常具有良好的力学柔韧性,并表现出敏锐的结构-电子响应关系,因此可以通过结构变形对材料电子性质进行有效调控.本文主要目的是介绍二维材料中通过非均匀应变获得新奇物性的研究进展.主要讨论两个效应,即赝磁场效应和挠曲电效应.具体来说,通过解析理论、实验进展、计算模拟以及围绕这些效应的应用等方面介绍相关研究进展.从计算模拟的角度看,由于非均匀应变破坏了晶体的平移对称性,基于周期性边界条件的量子力学计算方法如第一性原理不再适用.本文将介绍一个专门用来模拟非均匀应变的原子级计算方法,即广义布洛赫方法,并简要介绍该方法的一些具体应用.

关键词：二维材料应变调控赝磁场挠曲电广义布洛赫方法

金属有机框架材料力学、电学及其应变调控特性的第一原理研究

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物理学报 2016年第17期65卷 359-366页

作者：王晓媛赵丰鹏王杰闫亚宾中国工程物理研究院总体工程研究所绵阳621900 浙江大学航空航天学院应用力学研究所杭州310027

本文利用基于密度泛函理论的第一原理方法研究了典型金属有机框架材料——MOF-5的力学、电学性质及其应变调控特性.通过对MOF-5材料施加不同类型的应变,系统地研究了MOF-5材料的力学特性,获得了MOF-5的弹性常数、杨氏模量等基本力学参数... 详细信息

本文利用基于密度泛函理论的第一原理方法研究了典型金属有机框架材料——MOF-5的力学、电学性质及其应变调控特性.通过对MOF-5材料施加不同类型的应变,系统地研究了MOF-5材料的力学特性,获得了MOF-5的弹性常数、杨氏模量等基本力学参数.另一方面,通过分析能带结构等特征得到了MOF-5的本征电学特性,计算得到的MOF-5的禁带带宽为3.49 eV,属于宽禁带半导体.对MOF-5电学性质的应变调控特性研究发现,外界应变会显著降低MOF-5的禁带带宽,提高其导电性.通过进一步分析其电子态密度、共价键键长等的变化,发现外界应变会引起MOF-5有机配体中共价键强度的降低,继而导致材料禁带带宽的减小.研究从理论上定量揭示了外部应变对MOF-5电学性质的调控行为,为基于MOF-5的气氛传感器优化设计和性能评估等提供了重要的理论依据.

关键词：金属有机框架材料力学性质电学性质应变调控

边修饰Net-Y纳米带的电子结构及机械开关特性的应变调控效应

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物理学报 2022年第4期71卷 175-185页

作者：徐永虎邓小清孙琳范志强张振华长沙理工大学柔性电子材料基因工程湖南省重点实验室长沙410114

利用密度泛函理论和非平衡态格林函数相结合的方法,系统地研究了边修饰Net-Y纳米带的电子结构和器件特性的应变调控效应.计算表明:本征纳米带为金属,但边缘的氢或氧原子端接能使其转变为半导体.应变能有效地调控纳米带带隙的大小,适当... 详细信息

利用密度泛函理论和非平衡态格林函数相结合的方法,系统地研究了边修饰Net-Y纳米带的电子结构和器件特性的应变调控效应.计算表明:本征纳米带为金属,但边缘的氢或氧原子端接能使其转变为半导体.应变能有效地调控纳米带带隙的大小,适当的应变使能带结构从间接带隙转变为较小的直接带隙,这有利于光的吸收.应变也能改变纳米带的功函数,压缩应变能明显减小功函数,这有利于纳米带实现场发射功能.特别是应变能有效地调控纳米带相关器件的I-V特性,能使其开关比(I_(on)/I_(off))达到10^(6),据此,可设计一个机械开关,通过拉伸及压缩纳米带使其可逆地工作在“开”和“关”态之间.这种高开关比器件也许对于制备柔性可穿戴电子设备具有重要意义.

关键词： Net-Y纳米带电子特性应变调控功函数机械开关

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广义布洛赫方法的应用:低维材料物性的非均匀应变调控

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科学通报 2021年第6期66卷 674-684页

作者：张东波魏苏淮北京师范大学核科学与技术学院北京100875 北京计算科学研究中心北京100193

低维材料的结构灵活性以及它们的电子性质对应变灵敏的响应,使得应变调控成为优化低维材料物性的一个重要手段.本文主要介绍了非均匀结构变形下低维材料物性调控的量子力学模拟方法,即广义布洛赫方法.通过考虑螺旋和旋转对称性,广义布... 详细信息

低维材料的结构灵活性以及它们的电子性质对应变灵敏的响应,使得应变调控成为优化低维材料物性的一个重要手段.本文主要介绍了非均匀结构变形下低维材料物性调控的量子力学模拟方法,即广义布洛赫方法.通过考虑螺旋和旋转对称性,广义布洛赫方法能够以较小的计算代价处理扭曲和弯曲两种基本的非均匀结构变形.本文还介绍了该方法的一些具体应用.由于扭曲和弯曲涉及低维材料在多方面的应用,如挠曲电、柔性电子学、自旋电子学等,广义布洛赫方法在这些方面能发挥重要作用.

关键词：低维材料广义布洛赫方法应变调控扭曲弯曲

应变调控对PEMFC金属有机框架电极活性的影响

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电池 2024年第3期54卷 320-324页

作者：周梦硕罗海洋冯振苏光河南工学院材料科学与工程学院河南新乡453003 河南省金属材料改性技术工程技术研究中心河南新乡453003 河南师范大学物理学院河南新乡453007

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有结构简单、能源转化率高效、产物清洁等优点,但较高的贵金属催化剂成本以及耐用性等问题阻碍了其商业化应用。采用第一性原理计算方法,构建一种氧配位的金属有机框架(MOF)模型,分别研究x方向和y方向不同... 详细信息

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有结构简单、能源转化率高效、产物清洁等优点,但较高的贵金属催化剂成本以及耐用性等问题阻碍了其商业化应用。采用第一性原理计算方法,构建一种氧配位的金属有机框架(MOF)模型,分别研究x方向和y方向不同应变程度对铁基MOF中心原子氧还原催化活性的影响。沿宽度y轴方向压缩应变2%到拉伸应变4%的范围内,应变对Fe-O-MOF的催化活性有较大的调节作用。沿金属原子结构长度x轴方向在压缩应变2%到拉伸应变6%的范围内,应变对Fe-O-MOF的催化活性有较大的调节作用。

关键词：质子交换膜燃料电池(PEMFC) 金属有机框架(MOF) 电极活性氧还原反应(ORR) 应变调控

应变调控MoSSe/WSSe范德华异质结和单层B4P4C4及B2P2C8电子结构特性的第一性原理研究

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应变调控MoSSe/WSSe范德华异质结和单层B4P4C4及B2P2C8电子结构特...

作者：郭文雨上海师范大学

学位级别：硕士

二维材料石墨烯一经发现,凭借其优异的电学表现和机械性能迅速成为多个领域具有应用潜力的热门材料。但石墨烯的零带隙特性限制了其在半导体领域的应用,因此打开石墨烯的带隙对其在半导体领域中的实际应用具有关键意义。目前,通过引入... 详细信息

二维材料石墨烯一经发现,凭借其优异的电学表现和机械性能迅速成为多个领域具有应用潜力的热门材料。但石墨烯的零带隙特性限制了其在半导体领域的应用,因此打开石墨烯的带隙对其在半导体领域中的实际应用具有关键意义。目前,通过引入掺杂、吸附原子、引入周期性缺陷、外加磁场、电场及力场等手段都可以打开石墨烯的带隙。应变工程是一种调控半导体材料性能常规的研究手段,旨在通过拉伸应变或者压缩应变来调控二维材料柔性光电器件的性能。理论计算和实验研究已经表明,二维材料有远强于其宏观块体的形变能力,能够承受比块体材料更大的弹性应变而结构依旧保证完整性。在这项工作中,我们采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了三种类石墨烯材料MoSSe/WSSe范德华异质结(以下简称MoSSe/WSSe vd WHS)和单层BPC及BPC在应变作用下的电子结构特性。主要研究内容与结果如下:1)研究了MoSSe/WSSe范德华异质结构在不同水平和垂直应变下的几何结构、力学性质和电子结构特性。结果表明,最稳定的AB堆叠下的MoSSe/WSSe vd W异质结构是直接带隙半导体,并表现出II型能带对准,在这种带对准型下,光生电子-空穴对能够有效分离并相应地延长它们的寿命。与角度相关的杨氏模量和泊松比验证了MoSSe/WSSe vd W异质结构的机械稳定性和各向异性。研究发现,通过施加应变可以有效地调控MoSSe/WSSe范德华异质结构的带隙,而且带隙随着应变的增加而呈现下降的趋势。在拉伸应变达到一定程度时,体系会出现从半导体到金属的相变。值得注意的是,在施加垂直方向应变时,带隙与对结构施加的压力之间存在负相关性,这为实验上调控其电子结构特性提供了理论基础。所有这些计算展现了MoSSe/WSSe范德华异质结构本征的和在应变下的物理特性,相关计算结果对其将来应用在低维电子、纳米电子和光电器件领域有指导意义。2)预测了两种新型的三元类石墨烯结构,即单层BPC和单层BPC。我们基于第一性原理系统地研究了它们的本征结构、机械性质和电子结构特性。从声子谱、分子动力学和弹性常量得出,本征的和应变下的单层BPC和BPC都具有优异的动态稳定性、热稳定性和机械稳定性。计算结果表明,本征单层BPC具有狄拉克特征,本征单层BPC具有双狄拉克点。通过施加水平应变可以有效地调节单层BPC中的狄拉克态,从而表现出直接或间接带隙半导体特性,甚至是半导体到金属的相变。与之不同的是,本征单层BPC对双轴应变并不敏感,它像石墨烯材料一样,能很好地保持其稳定性和半金属态。同时,我们通过弹性常量计算出杨氏模量和泊松比,显示出两种结构的机械各向异性和优异的抗变形性。相关结果为基于这类新型二维材料的纳米器件的性能调控提供理论指导。

关键词：第一性原理计算 MoSSe/WSSe范德华异质结单层B4P4C4 单层B2P2C8 应变调控

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应变调控铂镍基纳米催化剂的氧还原性能研究

应变调控铂镍基纳米催化剂的氧还原性能研究

作者：莫艳珊广西大学

学位级别：硕士

随着全球环境污染与能源危机等问题的日益严峻,开发绿色、安全、高效的能源存储与转换技术迫在眉睫。质子交换膜燃料电池(PEMFCs)集比功率高、清洁无污染、低温快速启动等优势于一体,具有广阔的应用前景。铂基催化剂作为目前商业PEMFCs... 详细信息

随着全球环境污染与能源危机等问题的日益严峻,开发绿色、安全、高效的能源存储与转换技术迫在眉睫。质子交换膜燃料电池(PEMFCs)集比功率高、清洁无污染、低温快速启动等优势于一体,具有广阔的应用前景。铂基催化剂作为目前商业PEMFCs的核心催化材料,仍面临着Pt资源短缺、价格昂贵且稳定性欠佳等问题。因此,研发Pt载量低,兼具本征性能高的氧还原(ORR)催化剂一直是研究的热点。目前,大量的研究主要通过各种效应调节Pt的d能带中心,优化含氧物种的吸/脱附自由能并提高ORR速率。在实际合成催化剂的过程中往往会伴随着晶体结构、尺寸和形貌的不断变化,理解并协调电子领域和微观结构之间的相互作用机制将有助于指导合成高性能的ORR催化剂。本论文以PtNi基氧还原催化剂为研究对象,分别采用表面修饰、应变调控和阴离子掺杂等策略,制备出WO-PtNi NWs、CS-PtNiW-NR、CS-PtNiW-NF、CS-PtNiW-NP、N,P-PtNi W NP等纳米材料,并借助各种表征手段研究其界面与内部应变-电子与微观结构-活性与稳定性之间的关系及规律。主要研究内容及结论如下:(1)通过引入具有不饱和配位的WO对PtNi合金纳米线进行表面修饰。一方面,WO与Pt之间的溢流效应和协同作用可有效调控氧还原反应中间体在Pt表面的吸/脱附自由能,提高反应速率;另一方面,WO可与表面的Pt和Ni配位,有效减缓不稳定金属原子在反应过程中的迁移/团聚,提升催化剂的稳定性。研究发现催化剂的活性与WO的含量呈火山状趋势,WOx-(0.25))-PtNi NWs/C的质量活性(MA)最高,可达0.85 A mg,是TKK Pt/C的6倍。经30k圈加速耐久性测试(ADTs)后,其活性仅衰减23.89%。进一步通过控制W源的投料比改变Pt所暴露的晶面,可实现对PtNi合金纳米线催化剂的ORR性能调控。(2)通过晶格失配、应变诱导合成具有核壳结构的PtNiW三元合金纳米棒(NR)、纳米花(NF)和纳米颗粒(NP),实现在微观上对催化剂的形貌及内外壳层间应变效应的调控。所制备的CS-PtNiW-NR、NF和NP对ORR活性与稳定性表现出不同的规律,CS-PtNiW-NP的MA最高,达1.32 A mg。CS-PtNiW-NF的稳定性最好,在30k圈ADTs后MA损失25.35%。该工作揭示了催化剂的电子结构、微观结构与ORR性能之间的关系。(3)在煅烧过程中引入杂原子,使其同时与金属、载体协同,可减缓非原位生长催化剂在催化过程中的溶解/脱落,大幅提升催化性能。其中,N掺杂产生的应变效应可调控Pt的d能带中心,提高ORR活性。N-PtNi W的MA高达2.38 A mg,是商业Pt/C的17倍。P掺杂直接与Pt、Ni化合形成Pt P和Ni P,可提升催化剂的稳定性。P-PtNi W在50k圈ADTs后仍可保持70%的活性。结合N、P掺杂的优缺点,适度控制二者的掺入量,可平衡催化剂的ORR活性和稳定性。

关键词：质子交换膜燃料电池(PEMFCs) 氧还原反应(ORR) 铂镍合金(PtNi) 催化剂应变调控

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应变调控自旋霍尔效应的理论计算研究

应变调控自旋霍尔效应的理论计算研究

作者：刘久钊华中科技大学

学位级别：硕士

自旋霍尔效应是当给材料施加一纵向电场时,产生横向自旋流的一种物理现象。2004年Kato等利用磁光克尔效应在半导体Ga As的两个边缘上观察到了具有相反极化方向的自旋累积,在实验上首次观察到自旋霍尔现象。近年来,基于自旋霍尔效应的自... 详细信息

自旋霍尔效应是当给材料施加一纵向电场时,产生横向自旋流的一种物理现象。2004年Kato等利用磁光克尔效应在半导体Ga As的两个边缘上观察到了具有相反极化方向的自旋累积,在实验上首次观察到自旋霍尔现象。近年来,基于自旋霍尔效应的自旋电子器件因具有高速、低功耗等优点而备受研究者关注。本文通过第一性原理计算研究了第二类狄拉克半金属(XTe,X=Pt,Pd,Ir)和钙钛矿材料(Sr Ru O)的自旋霍尔电导率张量及其在应力下的调控机制。1.计算研究了XTe(X=Pt,Pd,Ir)中的自旋霍尔效应,发现PdTe具有最大的自旋霍尔电导率张量,数值为-251(?/e?S/cm),并计算了这三种材料的自旋霍尔角,其中Ir Te具有最大的自旋霍尔角,数值为0.043。2.计算研究了在应力作用下的PdTe的自旋霍尔效应,发现当应变从零达到10%时,自旋霍尔电导率张量,数值从-157增加到-391(?/e?S/cm),增加了约1.5倍。3.计算研究了不同衬底材料(LSAT,STO,KTO)上的Sr Ru O的自旋霍尔效应。随着衬底的变化,即将施加在Sr Ru O上的应变从压缩到拉伸的变化,自旋霍尔电导率实现了从32.5到394.2(?/e?S/cm)的增强。

关键词：自旋霍尔效应 Wannier函数自旋电子学应变调控第一性原理计算

五边形石墨烯负载Pt单原子稳定性能的应变调控

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原子与分子物理学报 2023年第5期40卷 94-98页

作者：史金磊王丽丽时俊仙赵高付龙郑州师范学院物理与电子工程学院郑州市低维纳米材料重点实验室郑州450044

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了Pt原子在五边形石墨烯(PG)上的吸附与动力学行为.研究结果表明,单个Pt原子在PG上虽然具有较大的吸附能及较高的扩散势垒,却不能够在衬底形成均匀分散的单原子.这是因为,随Pt原子数增加,Pt_(... 详细信息

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了Pt原子在五边形石墨烯(PG)上的吸附与动力学行为.研究结果表明,单个Pt原子在PG上虽然具有较大的吸附能及较高的扩散势垒,却不能够在衬底形成均匀分散的单原子.这是因为,随Pt原子数增加,Pt_(n)(n=1,2,3)在PG上的平均结合能也逐渐增加,更倾向于形成团簇,该发现有效否定了之前的报道称Pt能在PG上形成稳定的单原子催化剂这一结论(***.21,12201(2019)).基于此,我们考虑对PG施加双轴应变,随着拉伸应力增加,Pt金属原子间的平均结合能逐渐降低,当拉伸应变施加至12%左右时,单个Pt在衬底上的结合能与Pt_(2)在衬底上的平均结合能相等,从而实现PG上均匀分散的Pt单原子催化剂.该结果对五边形石墨烯基材料应变调控实现单原子催化剂提供理论借鉴.

关键词：五边形石墨烯单原子催化剂应变调控第一性原理计算