材料模拟软件在现代功能材料教学中的应用

采用材料计算模拟软件构建材料的原子结构,通过计算得到材料的电子结构信息,可把抽象的能带用计算图谱形象地呈现出来。以二氧化钛为例,构建其晶体结构,通过计算,可得到二氧化钛的电子结构信息,得到直观的能带图,取代了课本中的简易能带图谱。这种教学方式,促进了学生对能带理论的理解和掌握,激发了学生对功能材料电子结构的学习兴趣。     

正交CaTiO3电子结构及光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论,采用第一性原理投影缀加波方法(PAW),应用广义梯度近似(GGA)处理交换关联能,计算了正交CaTiO3块体材料的晶格参数、电子能带结构、态密度和光学性质。几何优化结果获得的晶格参数和原子坐标与已有的理论和实验数据很吻合。研究表明,正交CaTiO3是带隙为2.43 eV,价带顶和导带底都在Γ点的直接带隙半导体,价带顶和导带底主要由Ti-3d,O-2p态杂化而成。另外,计算了正交CaTiO3的吸收光谱,发现在波长较短的紫外光波段有一强烈吸收峰,基于能带和态密度分析了吸收光谱与电子跃迁间的关系,为正交CaTiO3的应用提供了理论依据。     

AlSb（110）基外延生长Bi薄膜的第一性原理研究

用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了在A lS b （110）衬底表面外延生长1～6层Bi薄膜的能带结构,计算了它们的带隙。研究发现,不同厚度的Bi薄膜显示出传导性质的奇偶振荡,1层和3层显示出非金属性质,2层和4层及更高的层数转变为金属性质。     

钠锰氧化物高压相变的理论预测

运用密度泛函(DFT)平面波赝势方法(PWP),计算了钠锰氧化物三种物相的状态方程及其电子结构.研究结果表明:利用状态方程得到的钠锰氧化物从尖晶石型结构的SP相转变为CF相和CT相的相变压强分别为4.94 Gpa和20.48 GPa,CF相与实验值误差仅为+0.44 Gpa.进一步对CT相钠锰氧化物的能带结构和态密度的分析表明钠锰氧化物CT相是一种带隙为2.15 eV的窄禁带半导体材料.靠近费米能级附近的Mn-3d电子轨道和O-2p电子轨道的强烈杂化决定了材料的电子性质.     

调制电磁场对单石墨层(graphene)电子结构影响的研究(英文)

单石墨层(graphene)的制备和其中的新奇物理现象的研究是近几年凝聚态物理学的主要热点之一.这种材料电子能谱具有与无质量Dirac费米子相同的形式,其波函数是手征的.本文研究了调制电磁场对单石墨层电子结构的影响,计算了Lan-dau子能带的带宽和态密度,对电子结构的Weiss振荡与外参数的关系进行了考察.结果可用于gaphene在调制外场中的输运性质的研究.     

材料科学基础实验内容的优化设计

材料科学基础实验是材料类本科生的专业入门课程,同时也是材料设计的基础课程。课程内容的设置通常遵循材料加工和处理影响材料结构和性质、进一步决定材料性能的规律。通过多年的实验教学,材料科学基础实验内容从实验材料选择、操作简易化、实验现象明显生动等方面进行了逐步优化设计。学生评教结果显示,优化后的实验内容强化了学生对"加工处理→结构→性能"规律的理解,而且有些学生能基于实验数据独立地做出材料设计的决策。     

水热法合成钛酸铋钠纳米粉体综合实验设计

采用水热法合成钛酸铋钠钾0.8Na0.5Bi0.5TiO3-0.2K0.5Bi0.5TiO3(简称NKBT)的纳米粉体,系统研究了矿化剂浓度、反应温度和反应时间对钛酸铋钠钾的晶粒大小和相结构的影响。实验结果表明,最佳的立方体钛酸铋钠钾纳米粉体的反应条件:矿化剂浓度8mol/L,反应温度200℃,反应时间24h。该实验有利于加深学生对功能电子材料的结构与性能的了解,有益于培养学生的创新意识和提高其综合实验能力。     

浅谈《半导体物理与器件》课程的教学改革

《半导体物理与器件》是半导体科学的理论基础。在教学过程中引入科研动态、CASTEP模拟计算、实验教学及微信公众号。通过CASTEP模拟计算半导体材料的能带结构、态密度和掺杂,3D结构可视直观,使学生更加深刻的理解半导体中的抽象概念。将理论付诸于实践,提高学生的动手能力,培养学生创新思维和实际解决问题的能力。     

SrTiO3晶界电子结构的理论研究

晶界在影响SrTiO3晶体电学性质方面起着重要作用.为了理解晶界结构与电子结构的关系,建立了3个晶界模型和SrTiO3原胞,应用Material Studio的CASTEP模块对它们的能带结构和态密度进行了模拟运算,分析了晶界的存在和晶粒取向度的不同对Ti和O原子的电子结构的影响.结果显示,晶界处会形成明显的缺陷态,而晶粒取向度与晶界角度的不同与缺陷态的性质没有直接的关系.这些发现对了解陶瓷中的晶界电子结构具有积极的意义.     

钙钛矿结构BaTiO3的热物理性能的第一原理研究

运用基于密度泛函的第一原理方法对具有钙钛矿结构BaTiO3的热物理性能进行了计算,得到了BaTiO3的晶格常数、弹性性能和热物理性能,并对电子结构特性进行分析。计算结果表明：计算所得的晶格常数和实验值符合的很好,计算了钙钛矿结构的BaTiO3的单晶弹性常数,并利用Viogt—Reuss—Hill方法获得了多晶的体积模量、剪切模量、杨氏模量、泊松比以及弹性各向异性比。由B／G的比值可知,钙钛矿结构的BaTiO3呈脆性性质。能带结构和电子态密度的计算表明,钙钛矿结构的BaTi03是一个具有1．59eV能隙的间隙半导体。利用准谐德拜模型．计算了该化合物的热熔和热膨胀系数随温度和压强的变化关系。     

多孔石墨烯的制备及气体分离性能综合实验设计

将科研成果转化为实验教学内容,设计研究了多孔石墨烯的制备及气体分离性能评价的综合实验,以促进学生对专业知识有更加系统地了解。实践表明,在对新型碳材料理论了解的基础上,增加石墨烯的结构调变设计及性能评价实验,既能激发学生对于专业知识的研究兴趣,在文献调研、实验设计和动手操作过程中又培养了学生的自主学习能力和创新意识,深化了学生对材料的结构与表征认识,从而更好地理解材料的结构与性能之间的关系。     

高分子纳米材料制备的实验设计与实践

为了让学生更加了解高分子材料学科的发展前沿,并能综合运用掌握的理论知识和实验技能,以学科前沿为引导,设计了"高分子纳米材料制备"的研究型实验。实验内容包括基础知识准备、材料制备和表征、结果分析讨论。教学实践表明,该实验有助于学生深入理解活性聚合机理和自组装过程,有助于激发学生的自主创新热情,提高学生的科研能力和综合素质。     

植物细胞吸水与失水实验的创新设计

在教学中,可从实验材料、实验方法、实验步骤等方面入手,对"探究植物细胞吸水与失水"实验进行创新设计。用黑藻替代紫色洋葱,采用红墨水或品红溶液染色观察原生质层,学生可以观察到植物细胞吸水与失水后细胞发生的变化,还能观察到组成原生质层的3部分结构。创新设计的实验能帮助学生更好地理解植物细胞的吸水与失水过程中原生质层的作用,逐步形成"结构与功能相适应的生命观念"。     

Zn2SiO4∶Mn^2＋电子结构及光学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函（DFT）理论的第一性原理平面波超软赝势计算方法,对Zn2SiO4∶Mn2＋的电子结构（能结构、态密度）和光学性质进行了理论计算。计算结果表明,Zn2SiO4∶Mn2＋是一种间接带隙半导体,禁带宽度为2.934 eV;其能态密度主要由Zn-3d,O-2p和Si-3p决定;静态介电函数ε1（0）=2.82;折射率n0=1.75;吸收系数最大峰值为7.37×104cm-1;利用计算的能带结构和态密度分析了Zn2SiO4∶Mn2＋材料的介电函数、反射谱、复折射率以及消光系数等光学性质,为Zn2SiO4∶Mn2＋发光材料的设计与应用提供了理论依据。     

高分子材料结构与性能研究型综合实验设计

为提高高分子材料实验内容综合性,培养学生创新能力和综合素质,设计了研究型综合实验"可控降解β-聚丙烯的结构与性能".内容包括配方设计、制备加工、结构表征和性能测试等,将多方面知识串联整合.该实验有助于学生深入理解高分子材料结构特点以及结构决定性能的原理,解决了学生对高分子材料微观结构难以理解的问题.通过学科前沿知识引人...     

层状BC7化合物结构和电子性质的理论预测

采用第一性原理密度泛函理论计算方法,对层状BC7化合物可能的堆垛结构和电子性质进行了理论预测.总能量、能带结构和态密度的计算结果表明:基于六方氮化硼结构构建的、沿c轴方向以AA方式堆垛的BC7-VIII结构是最稳定的,BC7单层及堆垛结构都具有金属导电性.     

优化光子晶体量子阱透射能带结构的方法

利用传输矩阵法理论,通过数值计算、模拟的方式,研究优化光子晶体量子阱透射能带结构的方法,结果表明：适当调整光子晶体的周期排列结构时,可拓宽光量子阱阱层光子晶体的能带,即可扩大光量子阱透射谱分布的频率范围;当组成光子晶体介质由双正材料置换成双负材料时,光量子阱阱层光子晶体的多能带结构合并成很宽且完整的单能带结构,即可使光量子阱透射谱实现连续频率分布的多通道滤波功能.光子晶体排列结构和不同介质对光量子阱透射能带结构的优化效果不同,对光子晶体量子阱的理论研究、实际设计和应用等,均有积极的指导作用.     

调Q锁模激光器创新实验设计

结合目前热门的二维材料性能研究,设计了基于二硫化钼可饱和吸收体的被动调Q锁模激光器输出性能优化综合实验。实验采用液相剥离方法,制备性能稳定的二硫化钼可饱和吸收体,利用制成的可饱和吸收体实现被动调Q锁模激光器的稳定输出。实验设计可以应用于光电专业实验以及大学生创新实验,有助于学生熟悉激光材料、加深对激光原理的理解,提升学生的创新实践能力。     

Zr掺杂BaSnO3陶瓷的制备和光学性质

文章实验以高纯SnO_2,BaCO_3和ZrO_2为原材料,采用高温固相法烧结制备Zr掺杂的BaSn_(1-x)Zr_xO_3(BSZO)(x=0,0.5,1.0)陶瓷和粉体.通过X射线衍射仪和扫描电子显微镜分别对粉末样品的结构和表面形貌进行表征和观察,采用紫外可见分光光度计测试样品的光学性质.实验结果表明,随着Zr含量由0增加至1.0,样品的晶格常数从0.411 nm逐渐增加至0.419 nm,同时样品的禁带宽度从3.03 eV逐渐增加到4.96 e V.为验证实验结论的可靠性,用Materials Studio 6.0软件基于密度泛函理论计算BSZO的晶胞参数、能带结构及态密度.计算表明,理论与实验结果变化规律一致.     

基于3D打印的物质结构知识建模研究

3D打印可以快速地将理论模型转变成"可视化"模型.在大学化学教学中,不仅可以利用该技术制作复杂灵活的多样化"可视化"模型以帮助学生理解物质结构和轨道理论等抽象概念,而且可以让学生在使用该技术的过程中体验模型的设计并不断提升微观表征能力.