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钢中非金属夹杂物性质第一性原理计算

中国冶金 2024年第2期34卷 69-82页

作者：琚立颖谷少鹏谭敏李涛孟倩杨志南华北理工大学冶金与能源学院河北唐山063210 华北理工大学机械工程学院河北唐山063210 燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心河北秦皇岛066004

采用第一性原理研究了钢中非金属夹杂物的晶体结构性能、电子性能和力学性能,从微观角度评价了非金属夹杂物的结构稳定性,揭示了非金属夹杂物对钢材力学性能的影响规律。结果表明,所分析夹杂物中,TiN的结合能绝对值最大、结构最稳定,其... 详细信息

采用第一性原理研究了钢中非金属夹杂物的晶体结构性能、电子性能和力学性能,从微观角度评价了非金属夹杂物的结构稳定性,揭示了非金属夹杂物对钢材力学性能的影响规律。结果表明,所分析夹杂物中,TiN的结合能绝对值最大、结构最稳定,其次为SiO_(2)和Al_(2)O_(3);MnS、Cu_(2)O、CuO和FeO的结合能绝对值较低,原子间化学键较弱,结构相对不稳定。能带结构分析表明,Al_(2)O_(3)、CaO、MgO、SiO_(2)、AlN、MgAl_(2)O_(4)、Ca_(2)SiO_(4)、CaAl_(4)O_(7)属于绝缘材料,Cu_(2)O、CaS、MnS属于半导体材料,FeO、CuO、FeS、TiN属于导体材料。弹性性能计算结果表明,TiN的弹性模量和硬度值最大,分别为517.70 GPa和31.77 GPa,表明TiN夹杂物刚性大,抵抗变形或破坏的能力较强,属脆性夹杂物;Cu_(2)O的弹性模量和硬度值最小,分别为25.06 GPa和0.24 GPa,属塑性夹杂物;复合非金属夹杂物CaAl_(4)O_(7)弹性模量和硬度值分别为124.58 GPa和5.52 GPa,塑性变形能力相对较差,属半塑性夹杂物。G/B(体积模量与剪切模量的比值)和泊松比结果表明,SiO_(2)的G/B值偏离0.57最多,泊松比最小,为0.02,夹杂物脆性严重。Cu_(2)O的泊松比最大为0.46,结合其弹性模量与硬度值可知,其弹性性能较好。研究结果为钢中非金属夹杂物的合理控制提供了理论依据和数据支撑。

关键词：非金属夹杂物晶体结构性能电子性能力学性能第一性原理

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零部件供应商做了哪些跨域融合?

汽车与配件 2024年第7期 40-41页

作者：高驰不详

电动汽车进入智能化的下半场,随着电子电气架构从域控走向中央集成,软件的复杂性和规模都在大幅攀升,跨域融合的需求愈发明显。拿蔚来来说,蔚来2024款第二代平台车型的电子电气架构,将由域控架构升级为中央计算平台,这意味着原先的智能... 详细信息

电动汽车进入智能化的下半场,随着电子电气架构从域控走向中央集成,软件的复杂性和规模都在大幅攀升,跨域融合的需求愈发明显。拿蔚来来说,蔚来2024款第二代平台车型的电子电气架构,将由域控架构升级为中央计算平台,这意味着原先的智能座舱和智能驾驶分离的架构,升级为所谓“舱驾融合”。不管是出于降低成本、加快研发速度,还是提升整车电子性能的目标,整车厂和各大零部件供应商都在积极布局跨域融合、多域计算。尤其后者凭借自身对五大域的理解和量产经验,正在凭借自身的优势,挖掘更多市场潜力。

关键词：零部件供应商电子性能整车厂智能驾驶电动汽车市场潜力计算平台跨域融合

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二氧化钛基功能材料的能带结构和电子性能的调控与优化

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二氧化钛基功能材料的能带结构和电子性能的调控与优化

作者：李帅强中北大学

学位级别：硕士

近年来,二氧化钛(TiO)由于在清洁能源获取和环境保护等领域的应用潜力,在实验和理论方面都引起了广泛的关注。纯锐钛矿相TiO本身就具有诸多优点,如n型导电性质、光腐蚀的稳定性、无毒且含量丰富、催化活性高等,但是,它的宽带隙(3.2e V)... 详细信息

近年来,二氧化钛(TiO)由于在清洁能源获取和环境保护等领域的应用潜力,在实验和理论方面都引起了广泛的关注。纯锐钛矿相TiO本身就具有诸多优点,如n型导电性质、光腐蚀的稳定性、无毒且含量丰富、催化活性高等,但是,它的宽带隙(3.2e V)降低了其充分吸收太阳光的可见光区域(该区域占太阳光能量的45%);此外,纯锐钛矿相TiO的光生电子-空穴复合效应很容易发生,导致大部分光生载流子不能迁移到有机物表面进行反应,影响光催化的反应效率。因此,为了降低纯锐钛矿相TiO的带隙值,改善其在可见光波长范围的光吸收,限制或减少复合效应的发生概率,提高光催化效率,国内外学者对TiO进行了各种改性研究。在各种改性办法中,金属掺杂可以成功地克服以上不足之处,从而有效地提高TiO光催化效率,但是许多金属掺杂研究只集中于3d过渡金属元素的掺杂,对4d过渡金属元素掺杂TiO还缺乏系统的研究。本文基于密度泛函理论下的第一性原理计算方法,使用GGA+U计算研究了4d过渡金属元素掺杂和氧空位缺陷两种调控与优化方式对TiO的能带结构和电子性能的影响,从而对锐钛矿相TiO功能材料本身缺陷的改性方式有清晰的理解,为推动TiO半导体光催化功能材料的发展和大规模应用提供理论支持。(1)首先,经过测试确定理论计算截断能为400 e V和K点为5×5×2,GGA(即U=0)计算得到纯锐钛矿相TiO的理论平衡晶格常数为a=b=3.829(?)、c=9.769(?),接近实验值a=b=3.785(?)、c=9.512(?),用GGA+U(U=1,…,10)方法计算纯锐钛矿相TiO的各种参数和性能(包括晶格常数、带隙、形成能等),可为下一步研究4d金属元素掺杂和氧空位缺陷的超晶胞TiO奠定基础。(2)其次,构建4d过渡金属掺杂TiO所使用的超晶胞模型,对于不同元素掺杂确定GGA+U计算中U值的大小,按照掺杂计算结果将4d过渡金属掺杂分为三类掺杂特性,每类特性选取一种元素进行系统的分析研究,对于n型Mo掺杂TiO的GGA+U计算U值的合理选择应为1-3 e V,Mo掺杂的TiO材料有望成为较为优异的光催化功能材料;对于p型Y掺杂TiO的结果表明掺杂系统的电子性质没有发生改变,带隙也没有显著降低,单个Y掺杂TiO的光催化效果并不理想;对于Tc掺杂TiO的U值为3的结果是较为合适的,此时下间隙小于上间隙,能够提高可见光的光吸收,对光催化过程比较有利。(3)第三,在进行4d金属元素掺杂TiO时,不同价位的金属掺杂会引进氧空位,而且对于锐钛矿相TiO氧化物,由于自身的晶体结构特点,本身就会有氧空位存在,所以研究掺杂金属和氧空位之间的相互作用是很有必要的,因此,对比研究了氧空位存在对Mo掺杂TiO能带结构和电子性能的影响,结果表明Mo+Vo掺杂TiO的体系带隙内出现了更多的中间态,间隙态在能带分布更均匀,能够解释实验下Mo+Vo空位簇的掺入可以显著提高TiO的光催化活性,这表明Mo掺杂和氧空位缺陷起协同作用;形成能计算表明Mo掺杂情况在实验中更容易发生,Mo掺杂比Mo+Vo掺杂更稳定;同时研究了不同Y掺杂浓度下的氧空位对掺杂金属离子TiO的能带结构和电子性能的影响,Y+Vo掺杂对比单个Y掺杂情况使带隙出现了一个中间态,但没有改变系统的电学性质,Y+Vo+Y掺杂使中间态消失,费米能级向VB偏移,Y+Vo+Y团簇在掺杂Y的TiO超晶胞中是最可能的掺杂和缺陷组合方式,这种排列方式有助于对Y掺杂TiO的实验研究提供正确的方向。(4)最后,对本论文进行了研究总结,以及研究过程中不足之处的展望。

关键词：第一性原理计算电子性能锐钛矿相TiO2 4d过渡金属掺杂氧空位

金衬底调控单层二硫化钼电子性能的第一性原理研究

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物理学报 2015年第18期64卷 411-417页

作者：张理勇方粮彭向阳国防科学技术大学、高性能计算国家重点实验室长沙410072 国防科学技术大学计算机学院长沙410072 湘潭大学物理与光电工程学院湘潭411005

基于密度泛函的第一性原理研究了金衬底对单层二硫化钼电子性能的调控作用.从结合能、能带结构、电子态密度和差分电荷密度四个方面进行了深入研究.结合能计算确定了硫原子层在界面的排布方式,并指出这种吸附结构并不稳定.能带结构分析... 详细信息

基于密度泛函的第一性原理研究了金衬底对单层二硫化钼电子性能的调控作用.从结合能、能带结构、电子态密度和差分电荷密度四个方面进行了深入研究.结合能计算确定了硫原子层在界面的排布方式,并指出这种吸附结构并不稳定.能带结构分析证实了金衬底与单层二硫化钼形成肖特基接触,并出现钉扎效应.电子态密度分析表明金衬底并没有影响硫原子和钼原子之间的共价键,而是通过调控单层二硫化钼的电子态密度增加其导电率.差分电荷密度分析表明单层二硫化钼的导电通道可能在界面处产生.研究结果可对单层二硫化钼晶体管的建模和实验制备提供指导.

关键词：二硫化钼金衬底电子性能第一性原理

CdGeAs2晶体的结构、弹性和电子性能的模拟计算和分析(英文)

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硅酸盐学报 2011年第2期39卷 349-354页

作者：朱崇强杨春晖马天慧夏士兴雷作涛哈尔滨工业大学化工学院哈尔滨150001

利用基于密度泛函理论的平面波赝势法对CdGeAs2晶体的结构,弹性和电子性能进行了研究。CdGeAs2晶体具有6个独立的弹性常数,利用计算的弹性性能可以判断晶体具有机械稳定性、延性和弹性各向异性等力学特点。通过总的和部分态密度分析了... 详细信息

利用基于密度泛函理论的平面波赝势法对CdGeAs2晶体的结构,弹性和电子性能进行了研究。CdGeAs2晶体具有6个独立的弹性常数,利用计算的弹性性能可以判断晶体具有机械稳定性、延性和弹性各向异性等力学特点。通过总的和部分态密度分析了不同能带的贡献成分。计算的结构参数及弹性常数与实验值基本吻合。CdGeAs2晶体具有直接能隙,禁带宽为0.05 eV,并且具有共价特性。此外,通过电子等密度线以及Mulliken键布局表明,Cd–As键的共价性要强于Ge–As键的。

关键词：砷化锗镉晶体密度泛函理论弹性性能电子性能

超薄Ni–Fe氢氧化物纳米片作为催化剂的磁性和电子性能的条件:DFT+U研究（英文）

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Science China Materials 2017年第7期60卷 664-673页

作者：廖文馨周刚 State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering Beijing University of Chemical Technology

利用密度泛函理论(DFT)+U方法,本文研究了单层Ni–Fe氢氧化物纳米片中阳离子排列方式和表面补偿阴离子对其磁结构和催化性能的影响.Fe原子偏聚引起的无序结构会在纳米片中产生不同自旋排列的磁畤,而表面补偿阴离子会影响Fe原子的局部磁... 详细信息

利用密度泛函理论(DFT)+U方法,本文研究了单层Ni–Fe氢氧化物纳米片中阳离子排列方式和表面补偿阴离子对其磁结构和催化性能的影响.Fe原子偏聚引起的无序结构会在纳米片中产生不同自旋排列的磁畤,而表面补偿阴离子会影响Fe原子的局部磁矩和价态.这两种实验条件不会从根本上改变Ni–Fe氢氧化物纳米片中磁性来源,即磁性金属原子间的超交换作用本质,但可在纳米片中形成特性各异的磁性超晶格.此外,氧还原/析出反应中间态自由能变化的计算证实最稳定磁结构的Ni–Fe氢氧化物纳米片具有优异的催化性能,表现出磁催化剂的特性.其原因是反应中Fe^(2+)–Fe^(3+)间价态的循环转变,决定了O–H键断裂和OH基释放的难易程度,从而控制了反应基元限制步的速率.我们可以通过Fe离子价态变化将纳米片的磁性和催化活性联系起来,该认识将有助于打开氢氧化物/LDHs为基的磁性催化剂设计之路.

关键词：催化剂设计氢氧化物磁性金属纳米片电子性能超薄密度泛函理论析出反应

TMDs/Ti3C2X2（X=S，Se，Cl，Br）异质结电子和力学性能的第一性原理研究

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TMDs/Ti3C2X2（X=S，Se，Cl，Br）异质结电子和力学性能的第一性...

作者：郑思宇哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

过渡金属二卤族化合物（TMDs）堆叠TiC形成异质结是改善单一材料物理性能的有效策略,如何调节TMDs/TiC异质结的相关性能也是一个重要的科学问题。在此之前,关于TMDs/TiC异质结的电化学性能已被科研人员广泛研究,但是外场与新型官能团（S... 详细信息

过渡金属二卤族化合物（TMDs）堆叠TiC形成异质结是改善单一材料物理性能的有效策略,如何调节TMDs/TiC异质结的相关性能也是一个重要的科学问题。在此之前,关于TMDs/TiC异质结的电化学性能已被科研人员广泛研究,但是外场与新型官能团（S,Se,Cl,Br）耦合对其物理性能的影响却少有人提及。因此,研究了外场和新型官能团（S,Se,Cl,Br）对TMDs/TiC异质结的结构、电子和力学性能的影响。主要研究如下:（1）系统研究了TMDs/TiC异质结和TMDs/TiC“双面神”的结构和电子性能,通过键布居数和Mulliken电荷发现Mo S/TiC层间为共价键连接,电荷由TiC向Mo S转移,Mo Se/TiC的成键是共价和离子键的结合;发现“双面神”的晶格参数与键长出现膨胀,Mo S/TiCSCl中的Mo S由半导体向金属过渡。（2）分别研究了外场和官能团对TMDs/TiC异质结结构和电子性能的影响。发现拉伸提升TMDs/TiC的载流子迁移率,压缩降低载流子迁移率。官能团削弱了TMDs与TiC的层间电子耦合,导致TMDs/TiCX的晶格参数和层间距增加。应变进一步增加TMDs/TiCX的层间距,同时诱导TMDs表现出金属性质。发现电场作用下TMDs/TiCX的导带边（CBE）和价带边（VBE）呈线性变化。（3）将第一性原理与连续介质力学相结合,计算出TMDs、TiCX和TMDs/TiCX（X=Br,Se,Cl,S）的弹性模量、强度极限和应力-应变曲线等力学参量。发现官能团不仅降低异质结及各单层的弹性模量和强度极限,同时还增加了材料的泊松比;TMDs、TiC和TMDs/TiC为各向同性材料,官能团封端TiCX和TMDs/TiCX在小应变下各向同性,较大的应变导致TiCX和TMDs/TiCX锯齿形（x轴）和扶手椅（y轴）的应力-应变曲线严重分化;异质结x轴上的理想强度大于y轴,x轴上的临界应变小于y轴。分析异质结力学参量的变化规律,发现异质结力学失效主要和内部原子排列和官能团封端导致其键能差异等方面有关。研究结果表明TMDs/TiC异质结结构稳定且具有易被外场调控的丰富的电子性能,官能团对TMDs/TiC异质结的力、电性能均造成显著影响。研究结果为研究外场和新型官能团对TMDs/TiCX相关性能的联合影响提供了有价值的见解。

关键词：密度泛函理论 TMDs/Ti3C2异质结外场电子性能力学性能

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染料敏化剂银铜团簇的电子和光学性能研究

染料敏化剂银铜团簇的电子和光学性能研究

作者：丁玲玲北方民族大学

学位级别：硕士

为解决能源危机和环境污染问题,我国提出“碳达峰”和“碳中和”倡议,全力发展太阳能等清洁能源。太阳能电池是太阳能大规模利用的主要手段之一,其中的染料敏化太阳能电池因其成本低、原料来源广泛、清洁无污染等优势具有良好的应用前... 详细信息

为解决能源危机和环境污染问题,我国提出“碳达峰”和“碳中和”倡议,全力发展太阳能等清洁能源。太阳能电池是太阳能大规模利用的主要手段之一,其中的染料敏化太阳能电池因其成本低、原料来源广泛、清洁无污染等优势具有良好的应用前景。目前染料敏化太阳能电池存在稳定性差,光电转化效率低的问题。近年来,Ag-Cu团簇因其优异的光学吸收性能而被设计为染料敏化太阳能电池的敏化剂。但是人们对Ag-Cu团簇结构稳定性、电子和光学性能的研究还不足以使它们得到实际应用。因此,亟需进一步深入开展Ag-Cu团簇性能及应用的研究。首先,本文利用第一性原理研究了Ag-Cu团簇的结构、电子和光学等性能。其次制备了Ag-Cu团簇敏化太阳能电池,并研究了其光电性能。得到的主要结论如下:第一,研究了9原子Ag-Cu团簇中成分变化对其结构、电子和光学性能的影响,结果表明在Ag-Cu系列团簇中,最低能量的AgCu、AgCu、AgCu和AgCu团簇结构与Ag团簇相似,都是由两个五面体和一个四面体组成,其余团簇的结构与纯团簇不一样。AgCu和AgCu团簇是幻数团簇,其中AgCu团簇具有最高的电子稳定性。与Ag-Ⅰ和Cu-Ⅰ团簇相比,所有团簇(AgCu-Ⅰ和AgCu-Ⅰ除外)的光学吸收峰都出现蓝移。Ag-Cu团簇的拉曼光谱和红外光谱呈现出一些重要的振动峰,可用于确定团簇的组成和结构。第二,研究了等原子比例的Ag-Cu团簇中尺寸变化对其结构、电子和光学性能的影响,结果表明Ag-Cu团簇的稳定性与二十面体核的形成有关。当n为9时,AgCu团簇的结构开始形成二十面体核,随着原子数的增加,Ag-Cu团簇易形成二十面体核结构。这一系列团簇中,AgCu团簇表现出较高的稳定性。Cu-Ⅱ团簇的电子自旋轨道出现了未配对电子,呈现出磁性。激发态光谱的研究结果表明Ag-Cu团簇在可见光区域的吸收性能优于纯团簇,所有团簇的吸收光谱都随着尺寸增加而出现红移。第三,制备了不同比例的Ag-Cu团簇及敏化太阳能电池,并研究了其性能。结果表明Ag-Cu团簇的光吸收强度和范围明显优于纯Ag和Cu团簇。Ag-Cu团簇敏化太阳能电池的光电性能研究表明,Ag-Cu团簇敏化的太阳能电池的光电转化效率和稳定性比与Ag和Cu团簇敏化太阳能电池相比得到明显提高。其中,AgCu团簇敏化太阳能电池具有最好的性能,其开路电压为515 mV,短路电流密度为0.246 mA/cm,光电转化效率为0.077%,并且呈现出较好的光电流稳定性。

关键词：银铜团簇电子性能光学吸收太阳能电池光电转化效率

稀土氧化物稳定t-ZrO_(2)结构和电子性能的研究

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功能材料 2021年第11期52卷 11087-11093页

作者：刘千礼范舟王洋西南石油大学新能源与材料学院成都610500

t-ZrO_(2)是一种宽带隙半导体材料,在氧传感器、固体氧化物燃料电池和涂层材料被广泛应用,由于t-ZrO_(2)只能在高温下存在,常加入稀土氧化物稳定至室温。采用第一性原理计算了形成能、能带、态密度及电荷密度,研究了Y_(2)O_(3),Sc_(2)O_... 详细信息

t-ZrO_(2)是一种宽带隙半导体材料,在氧传感器、固体氧化物燃料电池和涂层材料被广泛应用,由于t-ZrO_(2)只能在高温下存在,常加入稀土氧化物稳定至室温。采用第一性原理计算了形成能、能带、态密度及电荷密度,研究了Y_(2)O_(3),Sc_(2)O_(3),La_(2)O_(3)等稀土氧化物掺杂无补偿和有空位补偿对t-ZrO_(2)的结构和电子性能的影响。结果表明,稀土氧化物与Vo共同相互作用是稳定的关键,Y11(Vo)-2NN(1),Sc13(Vo)-2NN(1),La11(Vo)-2NN(1)三聚体形成能最小,稳定效果最佳。通过能带结构和态密度,相比于理想t-ZrO_(2),由于容纳过剩电子,掺杂体系带隙均有所减小,掺杂无补偿结构在费米能级附近出现新能带。由于O-2p与Zr-4d电子态的作用,导带与价带的迁移增强了费米能级附近电子的相互作用,并改善了t-ZrO_(2)的电子性能。通过电子密度分布表征原子键合得出,稳定性本质在于原子间化学键合的作用。这为t-ZrO_(2)的应用提供了有效的理论依据。

关键词： t-ZrO_(2) 稀土氧化物氧空位结构稳定性电子性能