Materials-Studio在材料科学领域的应用案例

MD模拟溶剂对α-Al2O3晶体形态的影响单击此处编辑母版标题样式J.Phys.Chem.C2008,112,10145–10152单击此处编辑母版副标题样式J.ys.Ce.C008,,0505单击此处编辑母版副标题样式研究背景及思路单分散性各向异性的单晶金属氧化物的形态控制是个很重要单分散性、各向异性的单晶金属氧化物的形态控制是一个很重要的研究方向。α-Al2O3是一种重要的金属氧化物，广泛应用于催化、微电子、光学等领域。单击此处编辑母版标题样式电子、光学等领域。研究表明，晶体各个晶面的相对增长速率对晶体昀终的形态具有重要影响这种增长速率受到晶体结构本身以及外部因素如温度溶单击此处编辑母版副标题样式重要影响，这种增长速率受到晶体结构本身以及外部因素如温度、溶剂、饱和度、搅拌速度等影响。本文采用MaterialsStudio软件研究了溶剂14丁二醇对αAl2O3单击此处编辑母版副标题样式本文采用MaterialsStudio软件研究了溶剂1，4-丁二醇对α-Al2O3各个晶面增长速率的影响。模型的建立(001)α-Al2O3模型的建立(010)(012)单击此处编辑母版标题样式(010)(012)单击此处编辑母版副标题样式(102)(110)α-Al2O3模型+溶剂分子层（200个1，4-丁二烯分子）单击此处编辑母版副标题样式(111)(113)结果分析Al-CAl-H单击此处编辑母版标题样式Al-OO-C(010)和(111)晶面相互作用较单击此处编辑母版副标题样式()和()晶面相作用较强，而且O-O相互作用出现多重峰，易被溶剂影响单击此处编辑母版副标题样式O-OO-H(010)和(111)晶面在昀终晶体形态中并没有出现原因？形态中并没有出现，原因？结果分析单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式单击此处编辑母版副标题样式吸附能越低，较小的能量就会造成溶剂的分子在晶体表面的释放，使得此晶面具有较高的增长速率，在昀终的结构中不容易出现。晶面具有较高的增长速率在昀终的结构中不容易出现结果分析文献表明：（001）、（110）和（113）晶面是控制形态的主要晶面，但如果伴随着先驱体含量、搅拌速度以及反应时间的增加，其它的晶面如(012)和(102)也会出现。单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式单击此处编辑母版副标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级掺杂ZnS和ZnO电子结构差异的第一原理研究第四级第五级AISTJJMATERSCIMATEREL14149(2003)AIST,Japan,JMATERSCI-MATEREL14,149(2003)研究背景ZnO和ZnS是两种广受关注的，具有大的禁带宽度和直接带隙的半导体材料，通常应用在蓝光以及紫外光学设备中。ZnO和ZnS具有这样两个显著的特点：1性能具有很强的设计性Æ可以掺入多种杂质调节其能带结构单击此处编辑母版标题样式2便于制备加工Æ可以通过多种方法方便地制成薄膜单击此处编辑母版副标题样式ZnO和ZnS之间也存在差异。除了结构上的差异外，在进行施主掺杂时，两者电导率的变化有着明显的不同。ZnO的电导率有着明显的提高，但是ZnS则不然，那么，原因是什么呢？单击此处编辑母版副标题样式提高，但是ZnS则不然，那么，原因是什么呢？AIST的研究人员针对这个问题采用Ct对ZO和ZS的电子AIST的研究人员针对这个问题，采用Castep对ZnO和ZnS的电子结构进行了研究。研究思路要解决这个问题，我们需要这样一些数据：1相同的施主杂质，相同浓度下，ZnO和ZnS的能带结构和态密度；2由于分析的对象是ZnO和ZnS，所以还需要纯的ZnO和ZnS的能带结构和态密度；单击此处编辑母版标题样式3由于ZnO和ZnS存在结构差异，为了和组成差异(O和S)区分，还需要做一些假设性的研究，譬如计算ZnO和ZnS具有相同结构时的能带结构和态密度以及ZO或ZS在不同结构时的能带结构和态密度单击此处编辑母版副标题样式和态密度，以及ZnO或ZnS在不同结构时的能带结构和态密度；4为了把研究做的全面一些，还可以加上对不同浓度，不同杂质的情况的计算单击此处编辑母版副标题样式情况的计算。有了以上4个方面的数据，就可以从组成和结构，杂质的种类和浓度多个方面分析ZnO和ZnS的性能差异不过除了能带结构和态密度(包括偏多个方面分析ZnO和ZnS的性能差异。不过除了能带结构和态密度(包括偏态密度)，在计算的过程中，还应该附带上Population,orbital以及electrondensity，这些数据的获取几乎不花费多余的时间，但分析的时候可以与能带结构和态密度相互印证，做一些说明。模型构建ZnO和ZnS的结构在Castep的Structures文件夹中可以直接获取。在菜单中点击File，选择Import，然后在跳出的选框中双击Structures文件夹，在metal-oxides里导入ZnO，在semiconductors里导入ZnS单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式单击此处编辑母版副标题样式ZnOZnS模型构建超胞的构建在菜单中选择Build/Symmetry/Supercell在弹出的对话框中设置超胞的大小单击此处编辑母版标题样式胞的大小超胞的对称性为P1，选择想要替换的原子后，在菜单击此处编辑母版副标题样式想要替换的原子后，在菜单中选择Modify/Modifyelement,然后选择用来替换的元素Ga完成掺杂模型单击此处编辑母版副标题样式的元素Ga，完成掺杂模型的构建。参数设置Task:EnergyXCFunction:GGAPBEXCFunction:GGA-PBEEnergycutoff:340eVKhfi单击此处编辑母版标题样式Kmesh:fineUltrasoftPseudopotential(PBE)单击此处编辑母版副标题样式SCFTolerance:1.0×10-6在引入IIIA元素Ga后，体系电荷仍设置为0单击此处编辑母版副标题样式偏态密度图分析计算设置过程中，在Properties栏选择Densityofstate，以及CalculatePDOS.单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式单击此处编辑母版副标题样式单击此处编辑母版标题样式第一步分析纯的ZnO和ZnS的电子结构差异单击此处编辑母版副标题样式单击此处编辑母版副标题样式h-ZnO和c-ZnS总的态密度图和能带结构单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式单击此处编辑母版副标题样式h-ZnO和c-ZnS的偏态密度图分析单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式单击此处编辑母版副标题样式O2p轨道上的电子主要束缚在O的周围；在ZnO的导带底部，O的轨道成分O2p轨道上的电子主要束缚在O的周围；在ZnO的导带底部，O的轨道成分很少，主要由Zn的s，p轨道构成。h-ZnO和c-ZnS的Mulliken电荷和键级单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式单击此处编辑母版副标题样式第二步分析掺杂的ZnO和ZnS的电子结构差异单击此处编辑母版标题样式第二步分析掺杂的ZnO和ZnS的电子结构差异单击此处编辑母版副标题样式单击此处编辑母版副标题样式Ga掺杂ZnS的能带结构和态密度图单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式单击此处编辑母版副标题样式轨道245#是一个新增的轨道，主要成分为Ga的4s。体现出很强的定域性。轨道244#发生了一些变化，原来以S的2s和2p为主，现在以Ga的4s和邻近的S原子和Zn原子轨道为主。Ga掺杂ZnO的能带结构和态密度图单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式单击此处编辑母版副标题样式相比于未掺杂的情况，费米面附近没有新增的轨道。掺杂以后，费米面附近的轨道虽然同样主要由Ga的4s构成，但是此时，Ga的4s并不体现出较强的定域性。结论•Ga在ZnS中与邻近的S相互作用，生成了一个具有较强定域性的杂质能级(electrontrap)，而在ZnO中则没有类似的能级生成，这种现象决定了Ga掺杂ZnS与ZnO的导电性能单击此处编辑母版标题样式差异，而这一现象产生的根本原因则是由S和O引起的电子结构差异与S和O的结构差异无关单击此处编辑母版副标题样式子结构差异，与ZnS和ZnO的结构差异无关。单击此处编辑母版副标题样式•功函(Workfunction)=将电子从一个表面移往无穷远处所需要的能量功函(Workfunction)将电子从个表面移往无穷远处所需要的能量MetalSurfaceExpCleavedAl100441415模型与直接结果Al1004.414.151104.064.021114.244.00单击此处编辑母版标题样式Ag1004.644.221104.524.021114.744.39单击此处编辑母版副标题样式W1004.634.011105.254.791114.474.03单击此处编辑母版副标题样式1134.183.901164.303.96NOTE：NOTE：•一般10Å厚度的材料对应于40Å的真空层厚度•为0K时的结果，绝对值有略为低估(算法所致)•表面层的优化对计算结果几乎没有影响•对功函的报道相互之间有大约0.5eV的差异—与计算结果对比时需要注意金属原子包覆的碳纳米管的电子结构设计以及选择性吸附的机制金属原子包覆的碳纳米管的电子结构设计以及选择性吸附的机制三星电子，电子材料开发小组.NANOLETTERS,2008,8(1):81-86.此项研究工作主要是为了考察将金属原子包覆的碳纳米管用做场发射显示器(FED)中的电子发射器的可行性。研究人员以CoTiPdW和Ru为例利用平面波赝势法研究了金属原子在碳纳米研究人员以Co,Ti,Pd,W和Ru为例，利用平面波赝势法研究了金属原子在碳纳米管(5,5)表面的吸附对于碳管电子结构，特别是功函数(与电子发射效率密切相关)的影响，发现Ti原子更易吸附在碳管表面，且能更明显的降低功函数；此外，他们还发现表面吸附的金属原子会对O产生选择性的吸附从而减少O原子对碳管的攻击延长表面吸附的金属原子会对O2产生选择性的吸附，从而减少O原子对碳管的攻击，延长场发射条件下碳管的寿命。在这项研究工作中，研究人员还将理论计算的结果用于指导实验，获得了与理论预测相一致的结果。计算得到的束缚能和功函数数据表明，Ti原子是一种合适的金属表明，Ti原子是种合适的金属原子，它可以稳定的吸附在碳管表面，并有效的降低电子发射的功函数功函数。单独的碳管的能带结构(a)与吸附Ti原子后的单独的碳管的能带结构(a)与吸附Ti原子后的能带结构(b)的比较表明，Ti的d轨道与碳管的π轨道间存在杂化，总的电荷密度图和差分电荷密度图(c)进一步证实了这一点分电荷密度图(c)进步证实了这点。由于Ti的d轨道具有更高的能量，因此在与碳管的π轨道杂化时会使得体系的费米面向单击此处编辑母版标题样式高能方向移动，从而导致功函数降低。单击此处编辑母版副标题样式态密度图(a和b)表明Ti原子吸附在碳纳米管表面后，增加了费米面附近的电荷密度，这进一步增加了电子发射的效率而HOMO的单击此处编辑母版副标题样式进一步增加了电子发射的效率，而HOMO的空间分布图(c)表明，费米面附近的电子主要由Ti原子提供，换言之，吸附Ti原子后，碳管上具备了更多的电子发射点。O2在Ti表面吸附的第一原理模拟表明，O原子在Ti上的束缚能远高于其在碳管上的束缚能，因此O原子更易吸附在金属原子上，因此吸附金属原子后，可以减少O原子对碳管的攻击，从而延长碳管的寿命。单击此处编辑母版标题样式实验中测得的I-V图(a)表明吸附Ti后，碳管电子发射的电场临界值由5.5V/μm降低为单击此处编辑母版副标题样式子发射的电场临界值由μ降低为3.7V/μm，这证明吸附Ti原子确实降低了电子发射的功函数。单击此处编辑母版副标题样式实验中测得的电流密度随时间变化的图(b)表明