密度泛函的案例
第一性原理在材料科學上的應用進展
1964年，Hohenberg和Kohn提出了密度泛函理論，這一理論巧妙地將電子之間的交換關聯勢表示為密度泛函的形式，從而使得材料的性質可以由電子密度求出。此后，Kohn和Sham（沈呂九）得到了密度泛函理論中的單電子方程，即Kohn-Sham（KS）方程，使得密度泛函理論得以實際應用[3,4]。本文大概匯總了第一性原理在以下方面的最新應用進展：
晶體結構參數和構型的計算
晶體結構是了解材料最基本性質的基礎，尤其對揭示材料微觀結構與彈性、電子、聲子和熱力學等本征性質關系具有重要的作用。
Leineweber和T. Hickel等人利用窮舉法對Fe4N和Fe4C可能的結構進行了DFT計算分析，考慮了Fe原子的fcc排列和N/C原子在八面體上的位置，其中，部分結構可以通過Bain畸變得到穩定，C原子在bcc中呈現出Zener型序列，見圖2，并揭示了間隙原子有序化傾向的特征差異，這與試驗觀察到的奧氏體結構差異相一致[5]。
圖2 兩種Fe原子（藍色）的fct（face-centred tetragonal）排列
合金相穩定性的計算
運用基于超贗勢平面波的第一性原理總能方法對晶體相結構進行研究，并得出不同堆垛次序的微觀結構的熱力學穩定性，從而預測出可能存在的最穩定結構是設計和開發新型材料的重要手段。
展開 Materials Studio材料建模與模擬計算工作站方案2021v4
（二）Materials Studio軟件計算特點
2.1 MS求解器支持單機CPU、GPU卡、MPI多機集群情況
如何配置一臺具有高性能能力的圖形工作站（CPU、內存、硬盤、顯卡），需要對其算法特點、以及計算規模進行分析
No
分類
模塊
功能描述
CPU并行
GPU加速
集群
1
可視化分析
Materials Visualizer
材料可視化工具
搭建分子、晶體及高分子材料結構模型
2
量子力學類
DMol3
密度泛函量子力學程序原子軌道線性組合法，計算能帶、態密度
√
√
CASTEP
材料科學量子力學程序平面波贗勢密度泛函法，模型較小，包含數十、乃至數百個原子
√
√
NMR CASTEP
MS CASTEP的擴展模塊
晶胞進行幾何優化，若精度要求較高
√
ONETEP
進行線性標度密度泛函模擬
√
√
DFTB+
半經驗量子力學程序
密度泛函的緊束縛法模擬體系大,對數千個原子體系進行模擬
√
√
VAMP
半經驗量子力學程序
原子軌道線性組合方法，對于涉及電子得失或轉移的過程（諸如涉及化學反應的過程）的模擬
Cantera
化學反應速率方程求解器
QMERA
量子力學與分子力學的雜化方法
√
3
分子力學與分子動力學類
COMPASS
對凝聚態材料進行原子水平模擬的功能強大的力場
展開 深度學習在量子力學水平上模擬物質的能力
傳統的DFT方法（比如B3LYP）對分子如何共享電子密度（藍色）的預測并不理想，而DM21的預測更接近現實。| 圖片來源：DeepMind
尤為值得一提的是，在這次的研究結果中，研究人員解決了長期存在與傳統泛函中的兩個問題。
第一個問題名為退局域誤差：在DFT計算中，泛函會通過找到能夠使能量最小化的電子構型，來決定分子的電荷密度。因此，泛函中的誤差會造成計算出的電子密度中出現誤差。大多數現有的對密度泛函的近似，都不會讓電子密度精準地局限在一個分子或一個原子周圍，而是傾向于讓電子密度以不切實際的形式分散在幾個原子或幾個分子之周圍。
另一個問題被稱為自旋對稱性破缺：當描述化學鍵的破壞時，現有的泛函趨向于不現實地偏向一種基本對稱性被打破的構型，這種基本對稱就是自旋對稱性。由于對稱性對于我們理解物理和化學起著至關重要的作用，因此這種人為的破壞對稱性，成了現有泛函的一個主要問題。
從理論上看，任何涉及電荷運動的化學-物理過程，都容易發生退局域誤差；而任何涉及到鍵的斷裂的過程，都容易發生自旋對稱性破缺。電荷的運動和鍵的斷裂是許多重要技術應用的核心，但這也可能導致泛函在描述一些最簡單的分子時出現嚴重問題，正如我們在前文所提到的氯化鈉的例子那樣。
DFT作為如此重要的一項技術，因此不難理解科學家會在期盼這些泛函能夠解釋更復雜的分子相互作用之前，必須先做到能確保簡單化學的正確性。通過使用神經網絡來表示泛函，并訓練數據集來捕獲期望的精確泛函的分數電子行為，新的研究解決了這兩個問題。他們的泛函在廣泛的、大規模的基準測試中，都顯示出了高度的準確性。
展開 深度學習在量子力學水平上模擬物質的能力（轉載）
傳統的DFT方法（比如B3LYP）對分子如何共享電子密度（藍色）的預測并不理想，而DM21的預測更接近現實。| 圖片來源：DeepMind
尤為值得一提的是，在這次的研究結果中，研究人員解決了長期存在與傳統泛函中的兩個問題。
第一個問題名為退局域誤差：在DFT計算中，泛函會通過找到能夠使能量最小化的電子構型，來決定分子的電荷密度。因此，泛函中的誤差會造成計算出的電子密度中出現誤差。大多數現有的對密度泛函的近似，都不會讓電子密度精準地局限在一個分子或一個原子周圍，而是傾向于讓電子密度以不切實際的形式分散在幾個原子或幾個分子之周圍。
另一個問題被稱為自旋對稱性破缺：當描述化學鍵的破壞時，現有的泛函趨向于不現實地偏向一種基本對稱性被打破的構型，這種基本對稱就是自旋對稱性。由于對稱性對于我們理解物理和化學起著至關重要的作用，因此這種人為的破壞對稱性，成了現有泛函的一個主要問題。
從理論上看，任何涉及電荷運動的化學-物理過程，都容易發生退局域誤差；而任何涉及到鍵的斷裂的過程，都容易發生自旋對稱性破缺。電荷的運動和鍵的斷裂是許多重要技術應用的核心，但這也可能導致泛函在描述一些最簡單的分子時出現嚴重問題，正如我們在前文所提到的氯化鈉的例子那樣。
DFT作為如此重要的一項技術，因此不難理解科學家會在期盼這些泛函能夠解釋更復雜的分子相互作用之前，必須先做到能確保簡單化學的正確性。通過使用神經網絡來表示泛函，并訓練數據集來捕獲期望的精確泛函的分數電子行為，新的研究解決了這兩個問題。他們的泛函在廣泛的、大規模的基準測試中，都顯示出了高度的準確性。
展開 
JACS：理論證實鎳配位乙烯基四硫醇聚合物及其類似物為具有本征金屬行為的優良熱電材料
（c）poly(Ni-C2S4)能帶結構和投影態密度。
圖3
（a）室溫下，poly(Ni-C2S4), poly(Ni-C2Se4)，poly(Pd-C2S4)和poly(Pt-C2S4)本征載流子濃度（N）。（b）poly(Ni-C2S4), poly(Ni-C2Se4)，poly(Pd-C2S4)和poly(Pt-C2S4)本征載流子濃度（N）和積分態密度的關系。
圖4
（a）室溫下，poly(Ni-C2S4), poly(Ni-C2Se4)，poly(Pd-C2S4)和poly(Pt-C2S4)塞貝克系數的絕對值（|S|）和電導率（σ）的關系。poly(Ni-C2S4), poly(Ni-C2Se4)，poly(Pd-C2S4)和poly(Pt-C2S4)熱電功率因子（S2σ）和本征載流子遷移率（μ）。
此前，Shuo-Wang Yang博士團隊就綜合利用密度泛函理論，密度泛函微擾理論，玻爾茲曼輸運理論，形變勢理論和緊束縛模型研究了20種不同d8過渡金屬配位聚合物鏈內電子型熱電性質。他們發現金屬d軌道成分對導帶底貢獻少有利于減弱電-聲子耦合，進而提高遷移率，最終提高功率因子。此外，低能量的聲學聲子散射貢獻占總聲子散射的89%。該工作的第一作者為石文博士，見https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b13877（ACS Appl. Mater. Interfaces 2018，10, 35306）。同時，該團隊還以鎳配位的苯連四硫酸鹽聚合物及它的五種衍生物為例，研究了有機配體對鏈內空穴型熱電性能的影響。
展開 聚合物材料模擬：概述和實例
1、量子化學 & 密度泛函理論
該方法主要針對幾納米或更小的尺度，基于薛定諤方程計算分子和晶體中的電子態。它尤其用于評估材料的電子性質，如激發、極化、分子間力和化學反應。有分子軌道方法（MO）和密度泛函理論（DFT），可以通過將電子密度作為計算目標來減少計算負擔。這些方法中的每一種都根據如何納入電子相關性、如何選擇基函數等進行細分。
圖1. 通過DFT評估分子在銅表面的吸附能
（左圖：丙烷/丁烷/戊烷/己烷分子的吸附能曲線；右圖：計算模型）
圖1顯示了在考慮范德華力的情況下，分子吸附在銅晶體表面時，距離表面的距離與能量之間的關系的DFT計算結果（每種分子種類用點表示），以及擬合到用于分子動力學的Lennard-Jones（LJ）勢的曲線。表面吸附能在界面設計中非常重要，但在某些情況下，沒有合理的LJ勢參數，需要通過DFT或其他方法進行評估。
2、全原子分子動力學
在全原子分子動力學（FAMD）中，一個粒子代表一個原子（圖2左），每個粒子的動力學是基于牛頓運動方程計算的。作用在每個原子上的力由一個函數和參數給出，包括上述的LJ勢。FAMD可以用來評估分子結構變化（如官能團）對分子構象和動力學的影響。例如，聚合物在體積狀態下的密度和彈性模量，其中氣體分子的自由體積分布和擴散以及有向（晶體）結構。由于其適用于各種應用，FAMD變得很受歡迎。另一方面，只要使用通用計算機，可以處理的空間尺度約為10納米，時間尺度在使用最近的軟件和硬件（如GPU）時為100納秒量級。這對于處理聚合物的長時間松弛現象等是不夠的。
圖2. 左圖：FAMD表示的聚異戊二烯分子結構，右圖：CGMD圖像
3、粗粒度分子動力學
在粗粒度分子動力學（CGMD）中，一個粒子代表幾個原子的一組（圖2，右）。
展開 清華-伯克利深圳學院（TBSI）劉碧錄ACS Nano：二維二硫化鉬層間限域堿性電解水產氫催化劑
密度泛函理論計算表明：限域在層間的氫氧化鈷和二硫化鉬二維材料共同賦予了催化劑好的催化活性和穩定性。該工作提供了一種新的設計堿性電解水析氫催化劑的策略。
圖文導讀：
圖1. 普適性的兩步法制備二維二硫化鉬層間限域的氫氧化鈷催化劑
圖2. 含鈷化合物插入二硫化鉬層間使其層間距不均勻
圖3. 插層的鈷化合物主要由氫氧化鈷組成
圖4. 優異的堿性電解水析氫催化活性和穩定性
圖5. 密度泛函理論計算表明氫氧化鈷和二硫化鉬共同加速了堿性電解水產氫反應動力學
小結：
這個工作提供了一種設計高效電催化劑的策略。原理上，這一策略可以擴展到其它二維材料（如：石墨烯、MXenes和過渡金屬硫族化合物）和其它插層材料（如：氫氧化鎳），以制備適用于其他電催化反應體系的高效催化劑及能源相關的應用。
原文鏈接：Two-Dimensional MoS2 Confined Co(OH)2 Electrocatalysts for Hydrogen Evolution in Alkaline Electrolytes (ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b00942)
展開 [分析示例] 利用 LDA+U 方法修正半導體帶隙的分析示例
因此，通過模擬使用半導體進行材料設計時，需要準確估算出帶隙，但基于密度泛函理論（DFT）的預測帶隙比實驗結果小得多（圖 1）。
圖 1. 利用 GGA 方法計算的半導體能帶結果（左為硅，右為砷化鎵）
用未經校正的 GGA 方法計算出的帶隙大小，硅為 0.72 eV（實驗值為 1.12 eV），砷化鎵為 0.37 eV（實驗值為 1.42 eV）。這些結果與一般未校正 DFT 的預測值幾乎相同。
眾所周知，這是由密度泛函方法[1][2]的缺點導致的，而 LDA+U [3]就是一種能改善這一缺點的方法。
在 LDA+U 方法中，當應用軌道中的兩個電子到達同一位置時，它們會被排斥，其能量會因 U 而增加。
在本案例研究中，應用 LDA+U 方法分析了硅和 4H-SiC （間接過渡半導體）以及砷化鎵和氮化鎵（直接過渡半導體）的帶隙。對于所有半導體，LDA+U 方法都適用于構成價帶的 p 軌道。硅的目標是 3p 軌道，但由于其他三種半導體都是化合物半導體，因此有必要選擇一個構成價帶的 p 軌道元素。在此，我們將重點放在各元素電負性的差異上：在砷化鎵中，砷的電負性更大，鎵的 4p 軌道上的電子會被吸引到砷的 4p 軌道上。在氮化鎵中，N的電負性更大，N衍生的2p軌道形成價帶；在碳化硅中，碳的電負性大于硅，碳衍生的2p軌道形成價帶，盡管兩者都是第IV族元素。
圖 2-4 顯示了化合物半導體中每種元素的 p 軌道部分狀態密度。兩種結果都表明，電負性較大的元素形成價帶。圖 5~8 顯示了采用 LDA+U 方法和未采用 LDA+U 方法得出的間隙附近的能帶結構。因此，通過調整參數 U，可以得到接近實際測量值的能隙。
展開 哥倫比亞大學陳經廣Adv. Funct. Mater: 聚合物粘結劑中的官能團對Au納米粒子CO2
【成果簡介】
近日，哥倫比亞大學陳經廣教授團隊通過結合實驗測量和密度泛函理論（DFT）計算系統地研究了聚合物粘合劑的不同官能團對Au催化劑上的CO2 RR的作用。
密度泛函理論（DFT）計算表明，粘合劑中的末端官能團對反應中間體的結合能具有顯著影響，并因此改變了CO2 RR性能。此外，通過實驗表明，與DFT預測一致，富含F的聚四氟乙烯（PTFE）粘合劑中的含氟（F）官能團使得CO產生法拉第效率極高（≈94.7％）。這些實驗和DFT結果表明，粘合劑替換和優化可能是目前面向材料的CO2 RR研究之外的可能選擇之一。
【圖文導讀】
圖一、本研究中使用的粘合劑的化學結構
圖二、不同粘結劑的CO催化性能
圖三、DFT理論計算
【小結】
總之，通過結合實驗測量和DFT計算系統地研究了官能團在聚合物粘合劑上對CO2 RR的作用。發現聚合物粘合劑上的主要官能團可通過改變催化劑表面性質而顯著影響CO2與CO的電催化轉化。 DFT計算表明，Au的CO2 RR不僅可以通過穩定* HOCO中間體而且可以通過抑制HER反應來提升。本研究中的實例使用實驗評估和DFT計算的組合，證明了使用粘合劑的官能團來改變CO2 RR活性和選擇性的可行性。
展開 北理工吳鋒院士團隊Adv. Energy Mater.：高容量磷功能化硬碳材料的儲鈉機理
為判斷P的何種存在形式是提升儲鈉性能的最主要原因，通過第一性原理密度泛函理論計算并結合XPS結果，可以看出盡管P-O在硬碳中所占比重大，但P=O和P-C與Na的結合能明顯高于C和P-O，說明HC-P15表現出的超高容量主要由于P=O和P-C鍵加強了硬碳與Na的結合能。
圖5磷功能化硬碳材料電子電導的改善
（a）硬碳材料HC和HC-P15的倍率性能
（b）O=P-O-Na模型中，P和O原子的態密度對比
（c）磷功能化硬碳材料電化學性能得以改善的原理示意圖
將雜原子的引入硬碳中，在一定程度上能夠使碳材料的費米能級向導帶偏移，提升材料的電子電導，依據上述構建的鈉吸附模型，通過密度泛函理論計算可獲知，除P-O-Na以外，相較于C-Na（即未加入磷的碳），其他三種模型在費米能級處的態密度均顯著增加，說明磷添加后形成的P=O和P-C鍵能顯著加強材料的導電性，在而解釋了HC-P15極佳的倍率性能以及較小的電荷轉移阻抗。此外，發現就模型O=P-O-Na而言，O原子在費米能級處的態密度明顯高于P，說明電子電導增加的原因主要是由于P=O中的O原子周圍的電子密度大幅增加。這一發現進一步說明含P官能團的引入不僅僅能夠加強鈉吸附，同時能夠顯著改善硬碳材料的電子電導。
【小結】
該研究通過靜電紡絲技術合成磷功能化的鈉離子電池硬碳負極材料，控制前驅體中磷酸的含量，得到類“蜂窩煤”狀形貌的硬碳 HC-P15，材料比表面積較小且表面存在大孔，為Na+的遷移提供了充足的路徑。 HC-P15 具備超高充電比容量且電壓平臺較低，首周容量高達 393.4 mAh g-1，100周循環后容量保持率為 98.2%。
展開 鎳單原子表面修飾分級MoS2納米片及其增強電催化析氫性能
圖4 MCM@MoS2-Ni的電催化活性
a) MoS2的能帶結構；
b) Ni修飾MoS2的能帶結構；
c) 0.5 M H2SO4中不同催化劑的LSV曲線；
d) 0.5 M H2SO4中不同催化劑的相應Tafel圖；
e) 在-250 mV的恒定過電勢下，MCM@MoS2-Ni的電流密度隨時間的變化；
f) 初始和第1000次循環的MCM@MoS2-Ni的LSV曲線；
g) MCM@MoS2-Ni在不同掃速(mV·s-1)下的循環伏安曲線(CV)；
h) MCM@MoS2-Ni、MCM@MoS2和MoS2催化劑的電容Δj/2 =(ja-jc)/2隨掃速的變化，其中ja表示陽極電流密度，jc表示陰極電流密度；
i) MCM@MoS2-Ni、MCM@MoS2和原始MoS2的交流阻抗曲線，擬合曲線和實驗點分別以實線和符號表示。
作者對MCM@MoS2-Ni的電催化HER性能進行了研究，以探索單原子結構表面調節的貢獻。通過密度泛函理論(DFT)計算充分證實了新的能帶結構的生成。新生成的能帶結構可以直接提高與Ni原子配位的S原子對H吸附的吉布斯自由能, 進而促進反應的進行。為了確認DFT預測，作者通過LSV曲線來研究催化劑在0.5 M H2SO4中的電催化HER性能。如圖4c和4d所示，MoS2和MCM的復合可以有效地加速電催化動力學，從而提高催化性能。此外，Ni單原子的表面修飾則可以進一步促進本征活性位點的生成，進一步提高反應速率。為了研究MCM@MoS2-Ni催化劑的穩定性，作者進行了恒電位下的長期穩定性測試和連續的LSV掃描。MCM@MoS2-Ni的電流密度在24 h內保持基本穩定 (圖4e)，1000次循環后LSV曲線出現較小偏移，進一步證明了電催化劑的高穩定性(圖4f)。
展開 
《PRL》銅基高溫超導電性理論獲進展！
不同于在d波超導體中的節點V型局域態密度，掃描電子顯微鏡（STM）在單層CuO2面上發現無節點U型局域態密度。這一實驗結果對銅基高溫超導體中已經廣泛認可的CuO2面d波配對超導體提出新的挑戰。
最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心凝聚態理論與材料計算重點實驗室胡江平研究員（T06組）與美國波士頓學院汪自強教授、波士頓學院蔣坤博士后和德國維爾茨堡大學吳賢新博士后（物理所博士）合作，通過理論計算發現在Bi2212上的單層CuO2面是一個多軌道引起的全能隙，無節點高溫超導體。首先，密度泛函理論計算表明，CuO2/Bi2212界面上存在著大量的電荷轉移，使得CuO2單層高度過摻雜到3d8Cu3+狀態附近。
在常規銅基超導中，Cu處于3d9Cu2+狀態附近。通常可以通過構建單帶以d_x2-y2為主的Zhang-Rice單態描述CuO2的電學性質。但在3d8Cu3+狀態情況下，Cu的d_x2-y2和d_3z2-r2軌道都變得很重要。通過構建一個eg兩軌道模型發現高度過摻雜CuO2單層存在兩個不同費米面。在布里淵區中心Γ點和邊角M點，分別存在一個電子型費米面（Γ）和一個空穴型費米面（M）。借鑒鐵基超導中S±波配對經驗，CuO2單層同樣也可以得到S±波配對。鑒于自旋自由度和軌道自由度都起重要作用，自旋軌道交換作用會產生具有延展S波配對對稱性，并且能隙與塊體d波能隙可比的無節點超導體[3]。這些結論與清華大學薛其坤院士團隊實驗吻合。這一研究為高度過摻雜區銅基超導，尤其是臭氧環境下過渡金屬氧化物異質結提供新的研究方向。
圖1: 隨著空穴摻雜濃度（xh）的銅基超導示意相圖。圖左邊是在通常塊體中實現的單帶d波超導體，圖右邊是在單層CuO2/Bi2212中實現的雙軌道無節點超導體。插圖顯示它們各自的費米面。
展開 利用MS的CASTEP模塊計算鐵磁性鐵聲子譜
密度泛函理論(DFT)方法能預測這些性能，CASTEP提供了必要的功能。在點陣動力學計算中有兩種主要的方法：密度泛函微擾理論(DFPT)和有限位移方法。第一種方法通常比較快速并且更加精確，但是它的執行是有問題的，并且受到一系列的限制。目前，在CASTEP中DFPT只能用于具有fixed occupancies(絕緣體)、沒有自旋極化并且只能對norm-conserving贗勢使用。這樣，對廣泛的材料種類 (包括磁性材料和金屬)，聲子計算只能通過采用有限位移算法來執行。
注意：本教程中的計算對CPU時間和內存需求方面的要求很高。
介紹：
在本教程中，將學習如何使用CASTEP來執行有限位移運算以獲得磁性金屬的聲子散射和態密度。
1. 優化Fe晶胞的結構
從輸入Fe的結構開始，它包含在Materials Studio提供的結構庫中。
從菜單欄選擇File | Import...，定位到Structures/metals/pure metals并選擇Fe.msi。
通過將晶胞轉化為原胞通常能減少計算時間。
從菜單欄選擇Select Build | Symmetry | Primitive Cell。
顯示Fe原胞。
現在使用CASTEP 優化Fe的幾何結構。
從工具欄選擇CASTEP工具，然后選擇Calculation，或者從菜單欄選擇Modules | CASTEP | Calculation。
顯示CASTEP Calculation對話框。
在Setup選項卡上，將Task從Energy改為Geometry Optimization，設置Quality為Medium，設置Functional為LDA。選中Spin polarized復選框，取消選擇Use formal spin as initial。設置Initial spin值為2。
展開 南大《ESM》：鋰氧電池用二維鉬基化合物的催化性能和電子結構
密度泛函理論（DFT）的計算闡明了MoN的金屬性質以及MoO3和MoS2的絕緣特性，此外，還進行了密度泛函理論計算，詳細解釋說明了MoN與Li2O2產物之間的界面性質以及具有MoN負極的鋰氧電池的反應途徑，說明了MoN在原子水平上的優異催化性能。
實驗和理論分析結果都證實了2D-MoN納米片可以作為鋰氧電池的負極催化劑，通過控制其形貌和電子特性為催化劑的設計提供了一種有效的途徑。（文：李澍）
圖1(a) MoN粉末的XRD圖譜，MoN納米片的(b)SEM圖像和(c,d) TEM圖像及相應的SAED圖譜，(e-g)MoN的EDS圖譜，(h)MoN納米片的厚度和AFM圖像，(i)MoN粉末的氮氣等溫吸附-解吸曲線和孔徑分布曲線，(j)MoN粉末的XPS光譜
圖2 MoN、MoO3和MoS2負極鋰氧電池的(a)恒流充放電曲線和(b)EIS曲線，MoN負極鋰氧電池的(c)倍率性能和(d)循環性能
圖3 (a, b) MoN負極放電前后的SEM圖像，MoN負極不同反應階段的(c)XRD圖和(d)XPS圖譜
圖4 MoN體系的密度泛函理論計算
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。歡迎轉載請聯系，未經許可謝絕轉載至其他網站。
展開 上海交大黃興溢教授《Science Bulletin》：高導熱電極化儲能納米復合電介質
通過密度泛函理論分析，團隊發現氨基與BNNS中的硼原子之間具有強烈的化學吸附作用，且硼原子上的電子云向氨基方向富集，因而在BNNS表面吸附氨基可形成電子屏障層。
圖1 材料合成及密度泛函理論分析。無基質納米復合電介質的制備過程(a)；共混物P(VDF-TrFE-CFE)/BNNS (b)、無基質納米復合電介質P(VDF-TrFE-CFE)-g-PME-NH2-BNNS (c)和P(VDF-TrFE-CFE)-g-PME-NH2-BNNS-epoxy (d)的自旋極化計算，BE為結合能，d為聚合物鏈與BNNS間距，Δq為電荷轉移量；BNNS表面電子斥電子層（黃色）對電子的阻擋效應的示意圖(e)。
通過拉伸電介質薄膜，實現復合介質內部的BNNS向拉伸方向取向， BNNS平均夾角從36.9o減小到9.9o，機械模量從2.6增加到6.2 GPa，導熱率從1.7增加到2.4 W m-1K-1。化學吸附鍵具有很強的結合能，拉伸后材料沒有出現明顯的缺陷，這是拉伸能提高機械模量和導熱率的主要原因之一。
圖2 薄膜制備及形貌分析。無基質納米復合電介質的組成結構(a)和薄膜取向拉伸過程(b)的示意圖；無基質納米復合電介質薄膜拉伸和熱壓前(c)后(d)橫切面的TEM圖；BNNS的拉曼峰強度與平面方向夾角的偏振光函數(e)。
采用相場模擬研究了BNNS對復合介質擊穿強度的影響。
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