本文分别针对节能玻璃用热致变色材料VO2和锂离子电池电极材料LiFePO4中存在的一些基础性问题,利用密度泛函理论(DFT)计算从微观角度研究了相关机理、并提出了相应的解决方案。论文共分为五章:第一章介绍了基于热致变色材料VO2的节能玻璃和以LiFe PO4为正极材料的锂离子电池的相关背景和研究进展。第二章简单介绍本文将要使用的研究方法,即DFT计算和基于DFT方法的一些计算软件。第三章研究过渡金属掺杂对热致变色材料VO2的金属-绝缘体相变(MIT)临界温度和相稳定性的影响。第四章研究石墨烯和硼氮石墨烯包覆Li FePO4(010)表面的表面结构和电导性质。第五章总结了全文的结论并展望进一步研究方向。以下是本文的主要研究内容和结果。为了进一步优化热致变色材料VO2,使其在稳定性,相变临界温度,颜色,太阳能调制能力等重要指标上达到更佳状态,本文使用DFT方法系统研究了29种过渡金属掺杂对VO2金属-绝缘体相变临界温度和相稳定性的影响。首先,通过计算得到了一系列过渡金属掺杂VO2(M1)的基本物理性质,包括自由能U,生成焓Hf和费米能Ef等。其次,使用计算得到的自由能拟合Birch–Murnaghan状态方程,得到了过渡金属掺杂VO2(M1)的晶胞体积和弹性模量。第三,结合DFT计算结果和过渡金属氧化物生成焓的实验数据,得到过渡金属掺杂VO2(M1)分解为VO2(M1)和过渡金属氧化物的分解焓和分解熵。自旋极化的DFT计算表明,(一)过渡金属掺杂对VO2相变临界温度的影响,可以用掺杂引起的VO2(M1)晶格形变进行表征。晶胞体积膨胀,??角减小,则VO2相变温度降低。(二)过渡金属掺杂对VO2的相稳定性的影响,可以用产物分解焓和分解熵进行表征。计算结果表明,高价阳离子掺杂比低价阳离子掺杂更稳定,与实验发现W6+、Mo6+、Re7+掺杂的VO2比较稳定,而La3+、Hg2+、Ag+掺杂的VO2发生相分离等结果相互一致。(三)综合相变临界温度和相稳定性等因素,我们推测,Sc3+掺杂,有利于降低VO2的相变临界温度并使吸收边蓝移,增加可见光透过率。此外,本文还进行了非自旋极化的DFT计算,评估了自旋极化对计算结果的影响。计算结果表明,自旋极化引入的能量变化较小,且在计算分解焓的过程中相互抵消;因此,是否开启自旋极化对过渡金属掺杂VO2(M1)分解焓的影响可以忽略。但是,是否开启自旋极化对于过渡金属掺杂引起的晶格形变、尤其是β角的变化影响显著。对于W6+、Mo6+、Re7+等几种能显著降低相变温度的VO2掺杂元素,则是否开启自旋极化对计算结果的影响并不显著。锂离子电池电极材料LiFePO4虽具有价格低廉、环境友好、化学性质稳定等优点,但其本征电导率低,只有采取降低颗粒粒径和包覆碳等手段改善其电导率后才有实用价值。目前,Li FePO4表面结构和导电性能仍是一个开放课题。本文使用DFT计算研究LiFePO4(010)表面,比较无包覆、石墨烯包覆、硼氮类石墨烯包覆等三种不同的Li FePO4(010)表面结构、能带结构。计算结果表明,两种包覆层与LiFePO4(010)表面的P、Fe和O原子之间皆有成键作用,抵消了无包覆Li FePO4(010)表面的收缩。石墨烯或硼氮类石墨烯包覆的LiFePO4(010)表面的Fe–O键平均键长相对无包覆表面的对应键长,更接近于晶体内部,引起Li+通道扩张,有利于Li+的迁入和迁出。三种Li FePO4表面结构的态密度(DOS)计算表明,包覆层和LiFePO4表面间的相互作用有利于改善LiFePO4(010)表面电导性能。(一)相对于无包覆的LiFePO4(010)表面,石墨烯包覆后LiFePO4(010)表面的禁带宽度从3.3 eV降低至2.1 eV。(二)硼氮类石墨烯包覆Li FePO4(010)表面后,价带顶和导带底的主要成分仍是Fe 3d轨道。但是,禁带中出现两个带隙态,间隔0.6 eV,主要成分为硼氮类石墨烯的B和N原子与LiFePO4(010)表面间的相互作用态。