自旋电子学材料和光解水催化材料的第一性原理计算与设计.pdf

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1、UniversityofScienceandTechnologyofChina博士学位论义负旋电子学材料和光噼水傕化论文题目材科的第一性原理计算与设计作者姓名学科专业物里化等导师姓名二〇一五年五月完成时间中齒科嗲弑术太含博士学位论文自旋电子学材料和光解水催化材料的第一性原理计算与设计作者姓名：李星星学科专业：化学物理导师姓名：杨金龙教授完成时间：二零一五年四月UniversityofScienceandTechnologyofChinaADissertationforDoctor'sDegreeSpintronicsMaterialsandWat

2、erSplittingPhotocatalystMaterials:aFirst-PrinciplesDesignAuthor'sName：：：中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人己经发表或撰写过的研宄成果。与我一同工作的同志对本研宄所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门

3、或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。口保密（年谨以此文献给我的父亲母亲摘要摘要材料与人们的生活息息相关，并推动着人类社会的发展。历史上每一次重大的经济和社会变革几乎都能在背后找到材料的影子。例如，半导体材料的发现和大规模应用，导致了人类社会步入微电子时代，至今使人受益。然而自然界存在的材料有限，已无法满足人们日益增长的物质需求。这

4、就需要人们基于现有的材料，利用各种物理或化学手段设计出具有特定功能的新型材料。在实验学家看来这是一个不断尝试不断修正的艰巨任务，在这一过程中，需要投入大量旳时间和精力，而且不可避免的会导致实验资源的浪费。计算量子化学的发展为这一困境带来了福音。利用第一性原理计算对材料的性质进行预测，根据预测的性质对材料进行初步筛选，然后再进行实验验证，将极大地提高实验学家工作的效率，缩短材料设计的周期。本论文的目的在于介绍我们基于第一性原理计算，对自旋电子学材料和光解水催化材料进行功能导向设计的工作。这两个领域看似毫无关联实际都是日益严重的能源和环境危机促使的。

5、前者的目的在于以更低的能量成本获得更高的速度，后者则是寻找洁净的可持续能源，即太阳能制取氢能，替代现有的化石能源。自旋电子学基于电子自旋进行信息的传递、处理与存储，具有目前传统半导体电子器件无法比拟的优势，比如说运行速度更快，集成度更高，耗能更低，因而成为近年来人们研究的热点。然而，自旋电子学面临着三大挑战：自旋的产生和注入，自旋的长程输运，以及自旋的调控和探测。这些问题的解决将主要依赖于寻找具有特定性质的自旋电子学材料，例如磁性半导体材料，半金属材料等。尽管已经有不少自旋电子学材料被相继提出，但是他们距离实际应用还存在较大的距离。其中原因包括自

6、旋热翻转导致半金属性被破坏，磁有序温度低于室温，合成困难或不易控制等。我们着眼于通过第一性原理计算设计具有特殊功能的新型自旋电子学材料，以及寻找在室温环境下可用的自旋电子学材料，为自旋电子学器件的合成和应用铺平道路。另一方面，用太阳光分解水制氢，为人类提供清洁燃料，被视为化学的圣杯。光解水的核心在于寻找能够高效吸收太阳光的半导体催化剂。可惜的是，传统的金属氧化物催化剂带隙较大，仅能够吸收太阳光的紫外部分，而紫外光仅占太阳光能量的左右，导致太阳光利用效率很低。其它一些金属化合物虽然能够吸收可见光，但是本身稳定性太差，容易分解，或者催化活性低，量子产

7、率难以满足实际要求。为此，我们通过第一性原理计算探索能够有效利用可见光，甚至红外光，并且稳定性良好的半导体催化剂，为实现高效光解水制氢指明一条方向。摘要本论文共分为三章。第一章介绍材料设计的理论基础，即计算量子化学。根据基本变量选择的不同，量子化学可分为两种不同的表达途径：从波函数出发和从电子密度出发。基于波函数的量子化学的优点是精度可以达到很高，缺点就是费时。依目前的计算机硬件条件，仅适合处理几个到几十个原子的分子或团簇体系。而且对化学家来说，波函数距离直观感觉太远：它是维函数（为电子数，难以想象它的具体形状。相反地，电子密度只是三维空间函数，

8、是一个很直观的量。因此，基于电子密度的量子化学，即密度泛函理论，得到化学家的偏爱。同时，引入电子密度作为基本变量后，薛定谔方程更加容易求