第一原理计算

摘要： 基于新合成的二维材料MoSi_(2)N_(4)(MSN),我们建立了一系列MSN的掺杂模型进行了第一原理计算。首先,我们计算了本征MSN的电子特性,包括其能带结构和态密度。然后我们研究了Cr、Sn和Co掺杂对MSN的电子和光学性质的影响。结果表明,在3种掺杂体系中,Co掺杂体系表现出最低的形成能,这表明Co掺杂体系是最稳定的。通过带隙计算表明,尽管3种掺杂模型都降低了MSN的固有带隙,但却表现出3种不同的电子特性。态密度图也显示,Cr和Co掺杂体系都在导带底(CBM)和价带顶(VBM)附近产生局部尖峰。此外,光学性质的计算中表明,掺杂后体系的光学性质也得到了改善。

摘要： 用第一性原理计算研究了掺氢Ti_(3)SiC_(2)/Zr异质结的几何结构、能垒和电子性质。由于半径小,氢原子以间隙杂质的形式处在Ti_(3)SiC_(2)/Zr晶格中。通过计算和分析掺氢Ti_(3)SiC_(2)/Zr异质结的总能量,发现当氢原子从异质界面扩散到Ti3SiC2中时遇到的势垒(1.75eV)比扩散到Zr金属中的势垒(0.25eV)高。且计算了氢原子从真空扩散到Ti3SiC2和Zr金属中所遇到的势垒(都是正值)。这些研究结果表明,Ti3SiC2可以作为防止锆金属氢脆和氢腐蚀的涂层材料。另外,还从能带结构和电子态密度等方面分析了掺氢Ti3SiC2的电子性质和价键性质。这些研究结果可能为氢在Ti_(3)SiC_(2)/Zr异质结中的扩散机制提供新的见解。

摘要： 为了满足航空发动机热端部件材料力学性能的不断提高,应用基于密度泛函理论的第一原理方法,研究了Re对Ni3Al金属间化合物力学强度的影响.通过建立掺杂Re前后Ni3Al的滑移模型和断裂模型,计算了晶胞的不稳定堆垛层错能γUS和断裂能γC,进而判断Re对Ni3Al屈服强度和断裂强度的影响.另外根据经验判据,γC/γUS值可表征材料的韧脆性.计算结果表明,Re的掺杂增大了Ni3Al[112ˉ](111)和[11ˉ0](111)两个滑移系下的γUS,使得滑移系不易开动,不易使Ni3Al发生塑性变形,增大了Ni3Al的屈服强度.Re增大了Ni3Al在密排面处的断裂能,使得其不易在密排面发生断裂,增大了断裂强度.关于改善Ni3Al的韧性,Re的掺杂对于密排面上不同滑移方向的影响具有一定的差别.此研究工作可为改善航空发动机单晶叶片的力学性能提供理论基础.

摘要： 用第一性原理计算研究了掺氢Ti3 SiC2/Zr异质结的几何结构、能垒和电子性质.由于半径小,氢原子以间隙杂质的形式处在Ti3 SiC2/Zr晶格中.通过计算和分析掺氢Ti3 SiC2/Zr异质结的总能量,发现当氢原子从异质界面扩散到Ti3SiC2中时遇到的势垒(1.75eV)比扩散到Zr金属中的势垒(0.25eV)高.且计算了氢原子从真空扩散到Ti3 SiC2和Zr金属中所遇到的势垒(都是正值).这些研究结果表明,Ti3 SiC2可以作为防止锆金属氢脆和氢腐蚀的涂层材料.另外,还从能带结构和电子态密度等方面分析了掺氢Ti3 SiC2的电子性质和价键性质.这些研究结果可能为氢在Ti3 SiC2/Zr异质结中的扩散机制提供新的见解.

摘要： 中国科学技术大学朱彦武教授团队通过原位X射线研究,结合第一原理计算提出了3R石墨到2H石墨的层间滑移路径,并通过研究同一区域接触氮化锂前后的薄层石墨拉曼信号变化,确认了其电荷状态变化。相关成果日前发表在知名学术期刊《纳米快报》上。

摘要： 新型非碳纳米结构的研究一直广受关注.因零维硼元素富勒烯笼状结构B40的实验合成,以及新型的硼富勒烯可能具有类似于碳富勒烯(如C60)一样重要的学术价值和应用前景,关于B40更进一步的功能化应用研究变得十分必要.采用第一原理,文章开展了过渡金属元素Ni对硼富勒烯B40进行表面化学吸附及笼内封装的功能化应用研究.计算结果表明,无论Ni原子在B40表面吸附还是笼内封装,均可与B40表面的B原子相结合形成Ni-B键,对应形成不同的稳定的金属富勒烯复合结构.且,Ni原子掺杂B40所形成的金属富勒烯复合产物结合能约5.18～7.12 eV/atom,表明Ni原子与B40的表面吸附和笼内封装属于化学作用过程,所形成的金属富勒烯复合产物具有较高的稳定性.对金属富勒烯复合产物的电子特性和磁性进行计算,发现:Ni原子表面吸附和内嵌的金属富勒烯复合结构,由于Ni原子的掺杂引入,其能隙相对于全硼富勒烯B40均有一定程度的减小;同时,磁性Ni原子与全硼富勒烯作用后,通过轨道电子的转移,Ni原子磁性完全消失而B40富勒烯笼内的B原子不产生自旋极化,因而金属富勒烯的总磁矩均为零.这种通过Ni的掺杂可调整富勒烯分子结构能隙又同时保持整个体系的磁矩为零的电子特点,对于此类金属富勒烯作为半导体分子器件的应用非常有意义.

摘要： 韩国研究人员开展了添加钼(Mo)和铌(Nb)合金元素的耐火钢的高温力学性能研究。建筑用钢材的耐火性能通常是根据600°C时钢材的屈服强度与室温下钢材的屈服强度比进行评估。耐火钢在600°C和室温下的屈服强度比超过2:3,耐火钢可以表现出优良的高温强度。采用扫描电镜、透射电子显微镜、原位透射电子显微镜、电子探针微量分析、三维原子探针断层分析技术、正电子湮没寿命谱和第一原理计算等方法,研究人员分析了添加钼、铌元素对钢材耐火性能的影响规律。研究结果表明,与普通碳钢相比,添加钼、铌元素钢材的耐火性能有显著提高。

摘要： 为了实现质子交换膜燃料电池的商业化,设计可替代贵金属Pt的催化效果好且成本低廉的催化剂成为当今研究热点之一.通过变化石墨烯中共掺杂的金属元素以及N成分比例,进而实现对氧气还原电催化性能调节.根据计算的数据,CoNx以及NiNx体系的活性依赖于上述两个变量.其活性顺序为NiN1＞NiN2＞CoN1≈CoN4＞NiN3＞CoN3＞CoN2＞NiN4.在此,通过金属中心以及配位基的变化,有效改变了石墨烯的氧气还原能力,由此筛选出高效低廉的燃料电池阴极催化剂.

摘要： 本文介绍了一套基于第一原理的预测半导体材料热辐射和光学特性的方法。在远红外区域，材料和电磁波的相互作用主要是通过和光学声子的作用。介电常数则是用洛伦兹模型来计算，其中需要的参数通过分析第一原理分子动力学的分子轨迹来获得。在可见光区域，半导体的和电磁波的相互作用则主要是通过和电子的作用，光学吸收可以用电子的带间跃迁来描述。介电常数的第一原理计算，需要通过GW方法和Bethe-Salpeter方程。该方法可以通过材料的原子结构来预测材料从远红外到光学波段的热辐射和光学性质。

摘要： 采用第一性原理广义梯度泛函的方法研究了M23C6(M=Cr,Mn,Fe,Mo,w)化合物的晶体结构,结合能与形成焓,结果表明所有化合物都是热力学稳定.由应力-应变方法得到化合物的弹性常数,根据力学稳定性的判断条件可知,所有化合物都是力学稳定性,在此基础上通过Voigt-Reuss-Hi11近似可求得化合物各模量值,其包括有体模量,剪切模量,杨氏模量等.其体模量变化范围为301.0-339.6GPa,剪切模量变化范围为126.9-163.7GPa.且掺杂铬,钼和钨后模量值都大于未掺杂的化合物.此外还研究了化合物的力学各向异性,结果表明化合物Fe23C6的杨氏模量的各向异性性能要强于其它化合物的杨氏模量各向异性性能.通过分析化合物的态密度图来研究的化合物M23C6(M=Cr,Mn,Fe,Mo,W)的电子结构,结果表明所有化合物表现为碳与金属间的p轨道与d轨道杂化得到的共价键与金属键的混合.

摘要： 对β/3-MP04(M=Al,Ga)的本征力学与热学性能进行了系统研究.运用密度泛函理论对其结构,力学与热学性能进行了计算.计算结果表明MP04键合状态具有多样性,M—O键弱于P—O键.对MP04的多晶力学性能进行了计算并分析其各向异型.通过化学键理论得到了其热膨胀系数.最后,运用不同的模型对MP04的导热行为进行了描述.理论结果表明MP04是一类性能优异的低热导材料.

摘要： 采用第一原理赝势平面波方法,基于虚拟晶体势函数(VCA)近似,计算分析了P元素合金化浓度(浓度x≤6.25％)的变化对NiAl合金力学性能的影响.通过对弹性模量的计算分析,发现P合金化浓度在0.125％(原子百分比)附近,B2-NiAl晶体的延性最好、硬度最小,在0.188％附近,B2-NiAl晶体产生强烈的固溶强化硬度急剧增大,但延性下降,在1.25％附近及在3.75％～6.25％区间,B2-NiAl晶体的延性有所改善,但在0.5％附近,B2-NiAl晶体的延性最差.

摘要： 石油中的非烃组成主要是含氧、氮和硫等3种元素的有机化合物,而最重要的含氧化合物是酸类化合物。氢键的作用使得分子之间相互作用或结合程度增强,从而导致稠油的粘度增高。-O-H-O-型氢键是稠油中最强的氢键。利用离散变分密度泛函方法(DFT-DVM)第一原理计算方法,由离子电荷,共价键级,总能量,平均距离等方面的结果分析,探讨了应用含铁离子催化剂或功能材料削弱稠油中-O-H-O-型氢键以达到降粘降解的可能性。

摘要： EuB6表现出诸多奇特的物理性质,是近年来金属六硼化物电学和磁学性质研究的重要对象。这些性质与其电子结构特别是Fermi面附近的电子结构密切相关。清楚跃迁的性质，本文基于第一原理计算的理论解析结果与Broderick等基于半经验唯象拟合方法得到的结果基本一致，验证了半经验唯象拟合得到的结果的合理性，并提供了更明确和详细的信息。

摘要： The ternary Al-Ce-Ni metallic glass-forming system in its Al-rich(〉60at．％)corner is investigated by experiments,thermodynamic modeling and First-Principle calculation．A consistent thermodynamic data set for the Al-Ce-Ni system is obtained by the optimization of the experimental data．The calculated isothermal sections,vertical sections and invariant reactions agree well with the experimental results．Using the results from thermodynamic assessment,the relationship between the glass forming ability(GFA)and phase diagram of the AI-Ce-Ni system is investigated．It was revealed that the alloys with good GFA in the AI-Ce-Ni system are in off-eutectic，indicating no deep eutecties in the AI-Ce-Ni system．It was found that the heats ofmixing of the alloys with good GFA are from-15 to-49 kJ/mol of atom．The alloy with euteetie composition has poor GFA due to the larger heats ofmixing．The results from melt-spinning experimental and the calculation of driving force of crystalline phases in supercooled liquid state indicated that the alloys with minimum driving force have good glass forming ability．It is thus concluded that the negative heats of mixing and minimum driving forces are the criterions for selecting the composition for formation ofthe Al-Ce-Ni metallic glass．

摘要： The ternary Al-Ce-Ni metallic glass-forming system in its Al-rich(〉60at．％)corner is investigated by experiments,thermodynamic modeling and First-Principle calculation．A consistent thermodynamic data set for the Al-Ce-Ni system is obtained by the optimization of the experimental data．The calculated isothermal sections,vertical sections and invariant reactions agree well with the experimental results．Using the results from thermodynamic assessment,the relationship between the glass forming ability(GFA)and phase diagram of the AI-Ce-Ni system is investigated．It was revealed that the alloys with good GFA in the AI-Ce-Ni system are in off-eutectic，indicating no deep eutecties in the AI-Ce-Ni system．It was found that the heats ofmixing of the alloys with good GFA are from-15 to-49 kJ/mol of atom．The alloy with euteetie composition has poor GFA due to the larger heats ofmixing．The results from melt-spinning experimental and the calculation of driving force of crystalline phases in supercooled liquid state indicated that the alloys with minimum driving force have good glass forming ability．It is thus concluded that the negative heats of mixing and minimum driving forces are the criterions for selecting the composition for formation ofthe Al-Ce-Ni metallic glass．

摘要： The ternary Al-Ce-Ni metallic glass-forming system in its Al-rich(〉60at．％)corner is investigated by experiments,thermodynamic modeling and First-Principle calculation．A consistent thermodynamic data set for the Al-Ce-Ni system is obtained by the optimization of the experimental data．The calculated isothermal sections,vertical sections and invariant reactions agree well with the experimental results．Using the results from thermodynamic assessment,the relationship between the glass forming ability(GFA)and phase diagram of the AI-Ce-Ni system is investigated．It was revealed that the alloys with good GFA in the AI-Ce-Ni system are in off-eutectic，indicating no deep eutecties in the AI-Ce-Ni system．It was found that the heats ofmixing of the alloys with good GFA are from-15 to-49 kJ/mol of atom．The alloy with euteetie composition has poor GFA due to the larger heats ofmixing．The results from melt-spinning experimental and the calculation of driving force of crystalline phases in supercooled liquid state indicated that the alloys with minimum driving force have good glass forming ability．It is thus concluded that the negative heats of mixing and minimum driving forces are the criterions for selecting the composition for formation ofthe Al-Ce-Ni metallic glass．

摘要： The ternary Al-Ce-Ni metallic glass-forming system in its Al-rich(〉60at．％)corner is investigated by experiments,thermodynamic modeling and First-Principle calculation．A consistent thermodynamic data set for the Al-Ce-Ni system is obtained by the optimization of the experimental data．The calculated isothermal sections,vertical sections and invariant reactions agree well with the experimental results．Using the results from thermodynamic assessment,the relationship between the glass forming ability(GFA)and phase diagram of the AI-Ce-Ni system is investigated．It was revealed that the alloys with good GFA in the AI-Ce-Ni system are in off-eutectic，indicating no deep eutecties in the AI-Ce-Ni system．It was found that the heats ofmixing of the alloys with good GFA are from-15 to-49 kJ/mol of atom．The alloy with euteetie composition has poor GFA due to the larger heats ofmixing．The results from melt-spinning experimental and the calculation of driving force of crystalline phases in supercooled liquid state indicated that the alloys with minimum driving force have good glass forming ability．It is thus concluded that the negative heats of mixing and minimum driving forces are the criterions for selecting the composition for formation ofthe Al-Ce-Ni metallic glass．

摘要： 一种基于第一性原理计算设计通过低价金属离子掺杂限制金属氧化物团聚的方法，涉及一种通过金属离子掺杂限制金属氧化物团聚的方法。本发明是要解决现有的氧化物团聚的技术问题。本发明提出采用的第一性原理计算，可从原子尺度，基于元素特性和晶体结构，计算氧化物表面对羟基的吸附能力。并对元素间的电子轨道杂化，电荷转移等进行定量分析，从而揭示金属离子掺杂改性氧化物吸附羟基的机理，设计可调控氧化物团聚特性的金属离子掺杂成分。

摘要： 本发明涉及一种制备微米锡铋合金与第一性原理计算的方法。通过还原亚锡离子和铋离子，用浓碱溶液维持碱性环境，使硼氢化钠发挥最大的还原性，在冰盐浴的条件下通入氮气，防止氧化，得到纳米单质锡、铋颗粒。再进行热处理，生成锡铋合金，通过沉降分级的方法得到微米锡铋合金。本发明通过第一性原理计算的方法预测锡铋合金的晶型，来确定所需材料的种类和含量。本发明是采用氯化亚锡和硝酸铋制备锡铋合金。本发明采用的还原剂为硼氢化钠，在低温无活性氢的情况下具有最佳还原性。本发明所选用提纯方法为沉降分级法，根据大小不同，在液体中的沉降速度不同，筛选微米级锡铋合金。

摘要： 一种基于第一性原理计算设计通过低价金属离子掺杂限制金属氧化物团聚的方法，涉及一种通过金属离子掺杂限制金属氧化物团聚的方法。本发明是要解决现有的氧化物团聚的技术问题。本发明提出采用的第一性原理计算，可从原子尺度，基于元素特性和晶体结构，计算氧化物表面对羟基的吸附能力。并对元素间的电子轨道杂化，电荷转移等进行定量分析，从而揭示金属离子掺杂改性氧化物吸附羟基的机理，设计可调控氧化物团聚特性的金属离子掺杂成分。

摘要： 本文为研究Al/Cr元素含量的最优配比，采用Materials Studio构建了Ti3Al1‑xCrxN(x=0、0.125、0.25、0.375、0.5、0.625、0.75、0.875、1)的模型。基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，分析了Ti3Al1‑xCrxN晶格常数、弹性性质和德拜温度。结果表明：随着Cr元素含量的增多总能量逐渐减小，结构均可以稳定存在；在Cr原子比例为0.625时，晶格畸变导致晶格常数变大。在弹性性质方面，Ti3Al0.625Cr0.375N和Ti3Al0.125Cr0.875N在硬度、抵抗外力能力、刚度和韧性等方面表现最优异，且Ti3Al0.125Cr0.875N>Ti3Al0.625Cr0.375N。在德拜温度方面，Ti3Al0.75Cr0.25N、Ti3Al0.625Cr0.375N、Ti3Al0.25Cr0.75N和Ti3Al0.125Cr0.875N具有较高的德拜温度，具有良好的热力学稳定性。经过本文的计算，Ti3Al0.125Cr0.875N即(Al/Cr=1：7)所表现的综合性能最优异。

摘要： 本发明涉及一种基于第一性原理计算的异质结材料构建和表征方法，包括步骤S1：获取标准的晶体结构文件；步骤S2：利用MS软件对所获取的晶体结构进行异质结的初步构建并借助VESTA软件将结构数据文件类型转为.vasp文件格式；步骤S3：通过PAW平面波赝势文件获取原子特性信息，对初步构建的异质结进行第一性原理结构优化计算；步骤S4：利用VESTA软件将优化后得到的晶体结构进行可视化分析晶界处的成键情况以及键长大小；步骤S5：进行第一性原理能带计算，继而改变约束条件进行光学性质计算，即表征异质结晶体的电学以及光学性能。本发明实现了不同晶系的多层异质结晶体材料的构建，并且利用第一性原理方法对其进行表征，可以通过表征来分析材料的性能。

摘要： 本发明公开一种基于第一性原理计算设计精确硼掺杂石墨烯的方法。本发明采用自下而上的构建思路，利用特定的前驱体构建了一种新型二维硼掺杂石墨烯的理论模型。接着利用第一性原理计算分析了其在动力学上的稳定性，以及其电子结构性质。结果显示，声子谱未出现虚频，证明了结构的动力学稳定性。相比于传统异质原子掺杂石墨烯，本发明所述的新型硼掺石墨烯设计方法满足硼元素掺杂浓度与位点高度可控，且具有实验合成前景，能适用于不同纳米材料结构的设计，同时新型二维结构的半金属特性，预示了其在电极材料等领域的应用潜力，为石墨烯功能化提供了新的路径。

摘要： 本申请公开了一种基于第一性原理计算的稀贵金属设计方法，该方法包括：S1确定基体相的最优结构及该结构下的晶格常数；S2选择第二相并确定其最优结构；S3计算基体相或所选第二相的进阶性质，进阶性质包括，第二相的形成焓、计算元素互换对所选结构稳定性的影响度和计算第二相与基体相间的界面能大小，通过进阶性质中形成焓和界面能大小选择稀贵金属中第二相，通过计算元素互换稳定性选择固溶强化的加入元素，有助于稀贵金属材料研发中略过大量的实验试错，避免不必要的资源浪费。

摘要： 本发明公开了一种基于第一原理性建模计算机辅助化工过程安全分析方法，包括以下步骤：建立HAZOP分析团队；建立工艺过程模型节点划分，工艺过程模型根据HAZOP审查的P&ID进行仿真建模得到；设置偏差；量化偏差，对偏差设置一定的数值将获得的偏差进行量化；模拟计算，将量化的偏差引入到工艺过程模型中进行计算得到偏差引起的结果数据；结果数据分析和可视化，计算机将结果数据进行分析并生成分析报告；评估后果与安全措施。本发明将HAZOP分析法结合过程建模，实现了偏差的定量化和偏差引起的结果的定量化，并借助计算机实现了数据的自动处理与可视化，辅助了HAZOP团队对工艺流程的分析，对HAZOP团队做决策提供了数据支撑，提高了分析的可靠性、准确性与效率。

摘要： 本发明提供一种对钨酸钠熔盐体系团簇结构性质研究的第一性原理计算方法，所述第一性原理计算方法包括：以W原子、O原子和熔盐体系阴离子构建基础结构模型，将O原子逐渐替换熔盐体系阴离子得到替换前后的团簇结构，对所述团簇结构进行结构优化，通过键长和结合能，评估结构优化后所得到的收敛结构的实际稳定性。利用该方法能够通过第一性原理计算探索熔盐中钨离子团簇反应机制及存在形态，降低实验筛选操作的复杂性，大幅度地减少了传统实验方法人力物力的支出，缩短新材料的研发周期，具有很高的应用价值。

摘要： 本发明涉及一种基于第一性原理的二次电子产额的计算方法，通过第一性原理的计算获取材料的能量损失函数和表面功函数，然后使用蒙特卡罗的模拟方法根据所述能量损失函数和表面功函数对材料内每个电子的每次散射碰撞过程进行跟踪，通过统计所有出射电子便可以获得材料的二次电子产额。本发明对二次电子的计算不过不再需要对实验数据的依赖，而材料相关的参数如果通过实验获得成本高昂，本发明打破了这种对瓶颈，同时并不采用实验测量二次电子发射系数的反推式拟合方法，具有很好的通用型和推广价值。