第一性原理在幾種低維能源材料分析和設(shè)計中的應(yīng)用.pdf

1、實驗,計算和理論對于材料的分析和設(shè)計是缺一不可的三大手段。而材料模擬由于橫跨計算和理論兩大領(lǐng)域,因此其重要性更是不言而喻的。計算方面,計算材料學(xué)近年來的蓬勃發(fā)展已經(jīng)把密度泛函理論及其計算方法推向高技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域,這其中,材料的分析和設(shè)計就是一個高度活躍和受關(guān)注的領(lǐng)域。理論方面,不考慮高能輻射修正,要描述多粒子體系的各種性質(zhì),在密度泛函理論的框架內(nèi),我們只需要電磁理論,Schr(o)dinger方程,Dirac方程,及七個與具體材料無關(guān)的參

2、數(shù)(電子/原子的質(zhì)量和電荷,Bohr半徑,Planck常數(shù),精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù))而不涉及更深奧的基礎(chǔ)物理問題?；诖?具體地,本文分別在染料敏化太陽能電池,氫氣存儲和鋰離子電池三個領(lǐng)域,運用第一性原理對一些低維(零維到二維)材料進(jìn)行分析和設(shè)計。主要內(nèi)容如下：
　　 ⑴在密度泛函-含時密度泛函理論框架下,研究了染料敏化太陽能電池中的純有機(jī)三苯胺基染料在吸附到半導(dǎo)體基底前后的幾何構(gòu)型,激發(fā)態(tài)以及電子結(jié)構(gòu)等性質(zhì),并從這三個方面比較了其中包含

3、的兩種不同類型的錨基對體系光電性質(zhì)的影響。結(jié)果表明,用氰基乙酸作為錨基的三苯胺基染料比用繞丹寧乙酸作為錨基的三苯胺基染料,能提供更大的開路電壓和與TiO2更好的共軛環(huán)境。這為染料敏化太陽能電池中的純有機(jī)染料的定向設(shè)計合成提供了一定的理論基礎(chǔ)。
　　 ⑵研究了在幾個納米尺度下的鎂/鎂.氫納米線的構(gòu)型,電子結(jié)構(gòu),熱力學(xué)性質(zhì),以及儲氫性能。研究表明,這個尺度下的鎂/鎂-氫納米線的儲氫量與體相一致,但是其脫氫焓卻只有體相的一半,因此可以

4、在室溫吸放氫。進(jìn)一步的研究表明,體系的氫容量或者尺寸的改變都對體系的穩(wěn)定性造成影響,而其本質(zhì)都是鎂.氫作用機(jī)制的競爭。
　　 ⑶研究了鋰離子在硅薄膜中的遷移過程。研究發(fā)現(xiàn),鋰離子在硅薄膜表面的嵌入是整個過程的速控步,由于這個速控步的能壘非常高,因此這個過程中的鋰離子遷移非常緩慢,并影響到整體鋰離子遷移,最終將使得硅材料在作為鋰離子電池負(fù)極材料時,在高充放電電流下無法達(dá)到高容量。通過進(jìn)一步研究硅薄膜表面第Ⅲ/Ⅴ主族元素?fù)诫s對速控步