掺杂ZnO的CO传感器性能研究
这是一篇关于CO检测,第一性原理,气体传感器,掺杂氧化锌的论文, 主要内容为CO是常见的有毒有害气体,对环境以及人体的健康都存在着威胁,而由于其无色无味,不易被人察觉,因此对CO气体进行检测是十分必要的。而由于气体传感器在医疗健康、工业过程监控和空气质量管理等领域中都有着重要的作用,我国近年也在努力加强对传感器的研发和应用。其中,金属氧化物半导体(MOS)气体传感器由于其环境友好和化学稳定,并且具有高灵敏度以及快速的响应而得到了广泛的使用。作为MOS材料,ZnO是一种廉价、易得、无毒且化学性质稳定的材料,并且作为检测气体的良好材料得到了广泛的研究和运用。综上,本文针对CO的检测,从n型半导体材料ZnO出发,设计制备ZnO以及具有不同掺杂浓度的Pt、Au的ZnO材料,探究它们对CO气体检测的可行性。本文基于第一性原理,采用Materials Studio材料仿真软件,对未掺杂以及分别掺杂Pt和Au的ZnO材料对CO的吸附情况进行了模拟仿真。针对未掺杂的ZnO考虑了十二种不同的吸附位点,并对掺杂的ZnO材料分别考虑了四种不同的掺杂方式,以此进行CO吸附的仿真。结果显示掺杂Pt、Au可以使ZnO对CO具有更加优异的吸附能力。对于物质的合成,采用简单的水热方式,制备了未掺杂的Zn材料,以及掺入了不同浓度的Pt原子与Au原子的ZnO材料。对材料进行了一系列的表征,发现所制备的ZnO基材料均为球状,并且掺杂之后会对尺寸有所影响。此外,将所制备的ZnO基材料均匀涂敷在陶瓷管上,制成可供后续气敏性能测试使用的传感器。通过使用所搭建的气敏测试平台,对所制作的ZnO基传感器分别进行了气敏性能的测试。对于未掺杂的ZnO,在最佳工作温度200℃下对350ppm CO的响应值约为22.1。在掺杂Pt原子和Au原子之后,最佳工作温度变为150℃,掺杂1 at.%Pt和1 at.%Au的ZnO传感器对350ppm CO气体的响应值分别为27.8和98。证明了合适的掺杂可以提升ZnO气体传感器对CO气体的响应并降低最佳工作温度。并且由于掺杂Au原子之后所制备的ZnO微球尺寸更小,导致其具有比掺杂Pt原子更加优异的CO气敏响应情况。此外,每隔七天进行重复测试,证明了所制备的传感器具有良好的稳定性和重复性。
固体材料中拓扑声子共存态理论研究
这是一篇关于第一性原理,拓扑声子固体材料,拓扑共存态的论文, 主要内容为近年来,拓扑声子材料作为凝聚态物理领域的研究热点,已经有多种类型的拓扑声子材料被发现。每种类型的拓扑元素具有不同的物性,拓扑声子共存态的固体材料会有怎样的新奇物性,值得进一步的研究。与电子系统不同,拓扑声子不受泡利不相容原理的限制,不用考虑自旋轨道耦合效应会破坏声子带简并度,因此可以在材料的全频率范围内研究其拓扑声子性质,为后续研究拓扑声子共存态提供基础。然而,目前的研究主要集中于材料的单一拓扑类型,对多类型拓扑声子共存态的研究报道相对较少。造成这一现状的原因是多拓扑声子类型共存容易导致声子带数量多且重叠度高,其材料的表面态被遮盖,观察不到节点(节线)的费米弧(鼓膜态),这将给实验确认工作带来困扰。因此,为了研究材料的拓扑声子共存态,需要满足材料易于制备且声子带“干净”以及投影到平面的表面态清晰等要求,才能确保材料拓扑性质的实验验证。本文基于密度泛函理论,通过第一性原理和表面格林函数等计算方法,研究了四种不同的拓扑声子共存态。首先以空间群号为62的单一材料KCuS为例提出了两种共存态:外尔节线和狄拉克节线共存以及鼓膜状表面态和环面状表面态共存。通过第一性原理计算,在KCu S的声子色散中发现沿S-R路径存在狄拉克节线,=0平面内存在外尔节线。狄拉克节线和外尔节线的声子带几乎平坦且与其它声子分离得很好,外尔节线在动量空间中会形成铰链状。基于对称性分析,狄拉克节线和外尔节线受对称性保护,在9)型现实材料Ba Si2、Ti B和Zr Si的声子色散中都发现了两种节线的共存态。此外,基于表面格林函数计算,在[100]和[001]表面分别出现了清晰的环面状表面态和鼓膜状表面态。通过各个表面Zak相位的计算,解释了出现不同表面态的原因。该工作首次提出了在单一材料中不同简并度的节线共存和不同类型的表面态共存,因此,9)型KCu S可以视为研究狄拉克节线和外尔节线纠缠以及实现环面状表面态和鼓膜状表面态的良好平台。其次,在单一材料42/结构SnO2声子色散中首次发现了声子带零维、一维和二维简并的共存态。基于第一性原理计算,发现在高对称路径A-M和Γ-Z分别会出现零维简并度的狄拉克节点和三重简并点,Z-R路径出现双重简并的一维线性外尔节线,在/=平面出现二维简并的节面。通过计算线性节线的贝里相位,发现该节线是贝里相位值为π的非平凡节线,根据声子带的不可约表示可知节点、节线和节面都受对称性保护。此外,除了节面没有表面态,节点和节线都有明显的费米弧和鼓膜状表面态。值得提及的是,42/型Sn O2在实验上已有十多种高纯度的制备方法,计算发现形成节点、节线和节面的声子带与其它声子分离较好,有利于实验中用非弹性X射线散射或中子散射等方法来成像观察体声子。而节点和节线的表面态则可以通过高分辨率电子能量损失光谱、氦原子散射或太赫兹光谱来验证。因此,42/型Sn O2是研究零维、一维和二维子带简并共存态的优良载体。最后在空间群号为61和205的材料声子色散中发现了三节面和狄拉克节线网的共存态。分别以9)型Zn Sb和9)3型Ru S2、P2Pt和Os S2为例,通过计算其声子色散,发现Zn Sb的声子色散会在//=平面形成节面,同时会在S-R、U-R和T-R路径上出现狄拉克节线。这些节线会在R点处交汇,在动量空间中形成一个节线网状。Zn Sb在施加5%和-5%均匀应力下,Zn Sb声子色散仍然稳定,同时狄拉克节线网和三节面依然存在。在[100]和[001]面可以分别观察到三条狄拉克节线清晰的鼓膜状表面态。同理,在Ru S2、P2Pt和Os S2的声子色散中也能发现三节面和狄拉克节线网的共存态,并在[001]面观察到狄拉克节线清晰的鼓膜状表面态。四种现实材料具有明显的表面态,这将有利于实验检测。基于声子不可约表示和对称性分析,发现以上四种材料声子色散中的三节面和狄拉克节线网都受对称性保护是必然存在的。因此,以上所提出的材料是研究拓扑三声子节面和狄拉克节线网共存态的理想材料。
固体材料中拓扑声子共存态理论研究
这是一篇关于第一性原理,拓扑声子固体材料,拓扑共存态的论文, 主要内容为近年来,拓扑声子材料作为凝聚态物理领域的研究热点,已经有多种类型的拓扑声子材料被发现。每种类型的拓扑元素具有不同的物性,拓扑声子共存态的固体材料会有怎样的新奇物性,值得进一步的研究。与电子系统不同,拓扑声子不受泡利不相容原理的限制,不用考虑自旋轨道耦合效应会破坏声子带简并度,因此可以在材料的全频率范围内研究其拓扑声子性质,为后续研究拓扑声子共存态提供基础。然而,目前的研究主要集中于材料的单一拓扑类型,对多类型拓扑声子共存态的研究报道相对较少。造成这一现状的原因是多拓扑声子类型共存容易导致声子带数量多且重叠度高,其材料的表面态被遮盖,观察不到节点(节线)的费米弧(鼓膜态),这将给实验确认工作带来困扰。因此,为了研究材料的拓扑声子共存态,需要满足材料易于制备且声子带“干净”以及投影到平面的表面态清晰等要求,才能确保材料拓扑性质的实验验证。本文基于密度泛函理论,通过第一性原理和表面格林函数等计算方法,研究了四种不同的拓扑声子共存态。首先以空间群号为62的单一材料KCuS为例提出了两种共存态:外尔节线和狄拉克节线共存以及鼓膜状表面态和环面状表面态共存。通过第一性原理计算,在KCu S的声子色散中发现沿S-R路径存在狄拉克节线,=0平面内存在外尔节线。狄拉克节线和外尔节线的声子带几乎平坦且与其它声子分离得很好,外尔节线在动量空间中会形成铰链状。基于对称性分析,狄拉克节线和外尔节线受对称性保护,在9)型现实材料Ba Si2、Ti B和Zr Si的声子色散中都发现了两种节线的共存态。此外,基于表面格林函数计算,在[100]和[001]表面分别出现了清晰的环面状表面态和鼓膜状表面态。通过各个表面Zak相位的计算,解释了出现不同表面态的原因。该工作首次提出了在单一材料中不同简并度的节线共存和不同类型的表面态共存,因此,9)型KCu S可以视为研究狄拉克节线和外尔节线纠缠以及实现环面状表面态和鼓膜状表面态的良好平台。其次,在单一材料42/结构SnO2声子色散中首次发现了声子带零维、一维和二维简并的共存态。基于第一性原理计算,发现在高对称路径A-M和Γ-Z分别会出现零维简并度的狄拉克节点和三重简并点,Z-R路径出现双重简并的一维线性外尔节线,在/=平面出现二维简并的节面。通过计算线性节线的贝里相位,发现该节线是贝里相位值为π的非平凡节线,根据声子带的不可约表示可知节点、节线和节面都受对称性保护。此外,除了节面没有表面态,节点和节线都有明显的费米弧和鼓膜状表面态。值得提及的是,42/型Sn O2在实验上已有十多种高纯度的制备方法,计算发现形成节点、节线和节面的声子带与其它声子分离较好,有利于实验中用非弹性X射线散射或中子散射等方法来成像观察体声子。而节点和节线的表面态则可以通过高分辨率电子能量损失光谱、氦原子散射或太赫兹光谱来验证。因此,42/型Sn O2是研究零维、一维和二维子带简并共存态的优良载体。最后在空间群号为61和205的材料声子色散中发现了三节面和狄拉克节线网的共存态。分别以9)型Zn Sb和9)3型Ru S2、P2Pt和Os S2为例,通过计算其声子色散,发现Zn Sb的声子色散会在//=平面形成节面,同时会在S-R、U-R和T-R路径上出现狄拉克节线。这些节线会在R点处交汇,在动量空间中形成一个节线网状。Zn Sb在施加5%和-5%均匀应力下,Zn Sb声子色散仍然稳定,同时狄拉克节线网和三节面依然存在。在[100]和[001]面可以分别观察到三条狄拉克节线清晰的鼓膜状表面态。同理,在Ru S2、P2Pt和Os S2的声子色散中也能发现三节面和狄拉克节线网的共存态,并在[001]面观察到狄拉克节线清晰的鼓膜状表面态。四种现实材料具有明显的表面态,这将有利于实验检测。基于声子不可约表示和对称性分析,发现以上四种材料声子色散中的三节面和狄拉克节线网都受对称性保护是必然存在的。因此,以上所提出的材料是研究拓扑三声子节面和狄拉克节线网共存态的理想材料。
net-τ和H4,4,4-graphyne作为钠离子电池负极的性能研究
这是一篇关于第一性原理,密度泛函理论,钠离子电池,net-τ,H4,4,4-graphyne的论文, 主要内容为21世纪随着人类科学技术的不断进步,电池成为了各类新能源交通工具和移动电子设备中不可或缺的一部分。在实际商业应用中拥有较高存储容量,快速充放电能力和较长的循环使用寿命的锂离子电池占据了市场主导地位。但锂元素的地壳丰度较低,随着全球锂市场需求的日益增长,已探明的锂矿储量仅能再维持数十年,因此我们迫切需要寻找与锂元素具有相似性质的可替代金属元素。我们发现和锂同主族的钠元素非常符合要求,钠元素的地壳丰度达到2.83%,锂元素的地壳丰度仅有0.0065%,钠元素是锂元素的435倍,且钠元素资源全球分布广泛,成本低廉,有成熟的提取制备技术。另外,从安全性考虑,钠离子电池具有良好的热稳定性,非常适合大规模投入使用。但是当前钠离子电池普遍面临的问题是存储容量不高、充放电速率较慢。本论文基于第一性原理和密度泛函理论,探索了两种新型的二维碳纳米多孔材料结构net-τ和H4,4,4-graphyne作为钠离子电池负极材料时的性能表现,主要研究内容和结论如下:(1)在net-τ的原始晶胞中测试了22个可能的稳定吸附位点,研究结果表明最终有6个位点是能够真正稳定吸附住钠原子的位置,最大吸附能为-1.88 e V,在十元碳环的中心正上方位置处,距离最近碳原子的平均距离为2.72(?)。net-τ结构的金属性良好,有五条可能的扩散路径,最佳路径的扩散势垒为0.50 e V。最多可以吸附24个钠,理论比容量为2680 m Ah/g,平均开路电压为0.42 V。(2)在H4,4,4-graphyne的原始晶胞中测试了19个可能的稳定吸附位点,研究结果表明最终有4个位点是能够真正稳定吸附住钠原子的位置,最大吸附能为-2.54 e V,在十二元碳环中心正上方位置处,距离最近碳原子的平均距离为2.87(?)。H4,4,4-graphyne结构的金属性良好,有两条可能的扩散路径,最佳路径的扩散势垒为0.63 e V。最多可以吸附18个钠,理论比容量为1675 m Ah/g,平均开路电压为0.67 V。
固体材料中拓扑声子共存态理论研究
这是一篇关于第一性原理,拓扑声子固体材料,拓扑共存态的论文, 主要内容为近年来,拓扑声子材料作为凝聚态物理领域的研究热点,已经有多种类型的拓扑声子材料被发现。每种类型的拓扑元素具有不同的物性,拓扑声子共存态的固体材料会有怎样的新奇物性,值得进一步的研究。与电子系统不同,拓扑声子不受泡利不相容原理的限制,不用考虑自旋轨道耦合效应会破坏声子带简并度,因此可以在材料的全频率范围内研究其拓扑声子性质,为后续研究拓扑声子共存态提供基础。然而,目前的研究主要集中于材料的单一拓扑类型,对多类型拓扑声子共存态的研究报道相对较少。造成这一现状的原因是多拓扑声子类型共存容易导致声子带数量多且重叠度高,其材料的表面态被遮盖,观察不到节点(节线)的费米弧(鼓膜态),这将给实验确认工作带来困扰。因此,为了研究材料的拓扑声子共存态,需要满足材料易于制备且声子带“干净”以及投影到平面的表面态清晰等要求,才能确保材料拓扑性质的实验验证。本文基于密度泛函理论,通过第一性原理和表面格林函数等计算方法,研究了四种不同的拓扑声子共存态。首先以空间群号为62的单一材料KCuS为例提出了两种共存态:外尔节线和狄拉克节线共存以及鼓膜状表面态和环面状表面态共存。通过第一性原理计算,在KCu S的声子色散中发现沿S-R路径存在狄拉克节线,=0平面内存在外尔节线。狄拉克节线和外尔节线的声子带几乎平坦且与其它声子分离得很好,外尔节线在动量空间中会形成铰链状。基于对称性分析,狄拉克节线和外尔节线受对称性保护,在9)型现实材料Ba Si2、Ti B和Zr Si的声子色散中都发现了两种节线的共存态。此外,基于表面格林函数计算,在[100]和[001]表面分别出现了清晰的环面状表面态和鼓膜状表面态。通过各个表面Zak相位的计算,解释了出现不同表面态的原因。该工作首次提出了在单一材料中不同简并度的节线共存和不同类型的表面态共存,因此,9)型KCu S可以视为研究狄拉克节线和外尔节线纠缠以及实现环面状表面态和鼓膜状表面态的良好平台。其次,在单一材料42/结构SnO2声子色散中首次发现了声子带零维、一维和二维简并的共存态。基于第一性原理计算,发现在高对称路径A-M和Γ-Z分别会出现零维简并度的狄拉克节点和三重简并点,Z-R路径出现双重简并的一维线性外尔节线,在/=平面出现二维简并的节面。通过计算线性节线的贝里相位,发现该节线是贝里相位值为π的非平凡节线,根据声子带的不可约表示可知节点、节线和节面都受对称性保护。此外,除了节面没有表面态,节点和节线都有明显的费米弧和鼓膜状表面态。值得提及的是,42/型Sn O2在实验上已有十多种高纯度的制备方法,计算发现形成节点、节线和节面的声子带与其它声子分离较好,有利于实验中用非弹性X射线散射或中子散射等方法来成像观察体声子。而节点和节线的表面态则可以通过高分辨率电子能量损失光谱、氦原子散射或太赫兹光谱来验证。因此,42/型Sn O2是研究零维、一维和二维子带简并共存态的优良载体。最后在空间群号为61和205的材料声子色散中发现了三节面和狄拉克节线网的共存态。分别以9)型Zn Sb和9)3型Ru S2、P2Pt和Os S2为例,通过计算其声子色散,发现Zn Sb的声子色散会在//=平面形成节面,同时会在S-R、U-R和T-R路径上出现狄拉克节线。这些节线会在R点处交汇,在动量空间中形成一个节线网状。Zn Sb在施加5%和-5%均匀应力下,Zn Sb声子色散仍然稳定,同时狄拉克节线网和三节面依然存在。在[100]和[001]面可以分别观察到三条狄拉克节线清晰的鼓膜状表面态。同理,在Ru S2、P2Pt和Os S2的声子色散中也能发现三节面和狄拉克节线网的共存态,并在[001]面观察到狄拉克节线清晰的鼓膜状表面态。四种现实材料具有明显的表面态,这将有利于实验检测。基于声子不可约表示和对称性分析,发现以上四种材料声子色散中的三节面和狄拉克节线网都受对称性保护是必然存在的。因此,以上所提出的材料是研究拓扑三声子节面和狄拉克节线网共存态的理想材料。
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