合金化元素Ru和Re在Ni3Al中的相互作用及其对力学性质的影响

采用基于密度泛函理论和广义梯度近似的第一原理方法,探究了Ru元素和Re元素在Ni₃Al中的相互作用及其对力学性质的影响.计算表明：在绝大多数化学计量比范围内,Ru原子优先占据Ni₃Al中的Ni位,Re原子优先占据Ni₃Al中的Al位,Ru和Re易于聚集分布,占据近邻的Ni-Al原子对.通过差分电荷密度图和态密度图分析得到Ru和Re掺杂会与近邻Ni原子产生轨道相互作用,Ru和Re之间也会产生轨道相互作用.通过计算弹性模量,应用经验判据得到Ru的加入使得Ni₃Al材料抗压缩能力和韧性明显增强,但硬度有所降低.而Ru、Re的同时加入使其抗压缩能力、韧性和硬度都有所增强.     

超过饱和固溶W-B合金力学性质的第一性原理研究

针对小原子元素在金属合金中可同时提高硬度和韧性的现象,本文采用基于第一性原理方法,研究了W-B合金的超过饱和固溶结构和力学性能.计算结果表明：无论是几何结构的晶格畸变,还是热力学上的结合能,B原子以置换形式固溶于W晶体中均优于其他固溶形式,这主要是由于置换B原子与周围W原子形成以共价型为主兼有离子型的键合作用.在合金中添加B元素虽然降低了合金材料的弹性模量,杨氏模量由414.34 GPa降低至338.36 GPa,但却显著增加了材料的韧性,B/G值由1.97提高到2.30(纯W晶体相较于B含量6.25 at.%时).并且合金的各向异性显著地减弱.另外,合金中B元素的添加,还使得材料理想剪切强度和最大应变值也得到了增加,分别由原来的19.981 GPa和0.187增加至21.814 GPa和0.209.这说明B元素在W合金中的超过饱和固溶不仅增加了合金的强度,还提高了合金的韧性.     

Re对Ni_3Al微观结构及力学性质影响的第一原理研究

应用基于密度泛函理论和广义梯度近似的第一原理方法,探究了Re元素掺杂镍铝合金中γ'相Ni_3Al之后微观结构和力学性质的变化.结果表明,在大部分化学计量比范围内,Re原子在Ni_3Al中易于替代Al位.Re的掺杂引起Ni_3Al晶格常数小幅度地增大,且不会引起严重的晶格畸变.通过差分电荷密度及态密度分析得到Re原子与近邻原子产生轨道相互作用,尤其是与Ni原子作用较强,并使周围Ni-Al键键能降低.通过计算弹性模量,应用经验判据得到掺杂后Ni_3Al的刚性、硬度增强.随着Re掺杂浓度的增加,Ni_3Al晶格常数、刚性和硬度随之增大.为了对第一性原理所得结果进行温度修正,进一步结合声子谱计算考察了温度对力学性质的影响.Re的掺杂使得Ni_3Al晶胞的熵略微增加,自由能略微降低,并且大幅度地增加Ni_3Al在高温下的体弹性模量,同时降低Ni_3Al在高温下的热膨胀系数.     

基于第一性原理的含空位a-Fe和H原子相互作用研究

氢致裂纹是制约超高强度钢应用的关键问题,掌握扩散氢的分布行为有助于弄清氢致裂纹的形成机理.本文采用第一性原理方法计算了H原子占据α-Fe晶格间隙和空位时的情况,得到了晶体的稳定构型及能量,并据此分析了H原子在晶格间隙和空位中的溶解倾向;从Mulliken布居、电子密度分布、态密度分布等角度分析了H原子与α-Fe晶体间隙和空位之间的相互作用.结果表明:间隙H原子倾向占据α-Fe四面体间隙位,其1s轨道电子与Fe的4s轨道电子呈微弱共轭杂化;空位是强氢陷阱, H原子倾向占据空位内壁附近的等电荷面.在真空0 K条件下单空位最多稳定溶解3个H原子,且H原子之间未表现出自发形成H2的倾向;间隙和空位中的H原子溶入改变了Fe晶格内电子分布导致原子结合力弱化,并在局部区域形成反键.基于第一性原理能量计算结果开展热力学分析,分析结果表明大多数情况下间隙H原子都是H主要的固溶形式, H平衡溶解度计算结果与实际符合良好.     

NaZn13型Fe基化合物的结构和热力学性质研究

利用Chen-Mbius晶格反演获得的原子间相互作用势,对NaZn13型Fe基金属间化合物进行原子级模拟研究.计算结果表明,Si原子和Co原子均优先占据96i晶位,Si原子和Co原子替代Fe原子后晶体平均结合能降低.随着Co含量的增加,LaFe13-x-yCoySix和NdFe13-x-yCoySix的晶格参数逐渐降低.声子态密度中,稀土原子主要激发低频模,Si原子主要激发高频模.LaFe11.5-yCoySi1.5化合物的德拜温度随Co含量的增加而增高.     

Nd(Fe,Si)11Cx化合物的全电子计算(x=0,2)

采用基于第一原理的全势能线性缀加平面波加局域轨道((L)APW lo)方法对Nd(Fe,Si)11Cx化合物(x=0,2)的电子结构进行了计算,得到了化合物态密度和磁矩等信息.计算结果表明NdFe9Si2化合物中Si原子主要与4b和32i位Fe原子产生杂化,导致Fe原子磁矩减小.NdFe9Si2C2化合物C原子使32i位Fe原子磁矩进一步降低,同时减弱了Si原子的影响,使得4b位Fe原子磁矩增大.     

Mg8Sn4-xMx结构稳定性与弹性常数的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的CASTEP软件构建Mg₈Sn_4-xM_x(M=Al、Cu;x=0、1或2)晶体结构模型,采用第一性原理计算其晶格常数、结构稳定性和弹性常数,并分析不同量的M原子固溶于Mg₂Sn后体系的电子特性、弹性性能和本征硬度.计算结果表明,M原子能自发固溶于Mg₂Sn相,且所得Mg₈Sn_4-xM_x(x=1或2)晶体结构均可稳定存在;当2个M原子固溶于Mg₂Sn时,使其晶体结构由立方晶系转变为四方晶系.态密度分析表明,M原子固溶后体系原子存在明显轨道杂化现象,表现出较强的共价键,增加M原子固溶量不会改变各原子对态密度的贡献规律,但会提高该原子对电子对态密度的贡献度.弹性性能和本征硬度分析表明：Mg₂Sn中固溶M原子后,体系力学性能仍稳定,增加M原子固溶量,体系硬度逐渐降低,韧塑性不断提高,即M原子固溶量增加能提升体系的...     

金属Fe与间隙H原子相互作用的密度泛函研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 研究了不同摩尔比下H在α-Fe和γ-Fe晶格中的间隙占位情况, 计算了稳态晶体的总能量、结合能、溶解热、电子态密度、电荷差分密度和电荷布居, 分析了间隙H原子和Fe晶格之间的相互作用, 讨论了H溶解对α-Fe和γ -Fe晶体电子结构的影响. 结果表明: H溶解引起α-Fe和γ-Fe晶体点阵晶格畸变, 体积膨胀率随着溶氢量的增加而增加. 从能量角度分析发现, H优先占据α-Fe的四面体间隙位, 而在γ -Fe中优先 占据八面体间隙位. 态密度、电荷差分密度以及电荷布居分析发现, 间隙H原子与Fe晶格的相互作用仅由H的1s轨道电子和Fe的4s轨道电子所贡献, 二者作用力相对较弱, 这是造成H在Fe晶格中固溶度较低的主要原因之一. 关键词： 金属Fe 间隙H原子 第一性原理 溶解热     

Mg-Zr合金微观组织电子结构研究

用递归法计算了α-Mg与α-Zr的结构能、原子结合能,Mg/Zr界面能与Mg的表面能,Mg中Zr及Zr中Fe,Mn,Si,H等杂质原子相互作用能,Mg,Zr原子态密度及其在合金中的电荷变化. 计算发现,在晶体中与Mg态密度差别很大的Zr在Mg/Zr界面却与Mg趋于相近,从而界面电子环境与Mg相似,为Mg形核生长提供有利条件;α-Zr的结构能、原子结合能低于相应的α-Mg,且Mg/Zr界面能低于Mg的表面能,从能量角度合理解释了Zr先于Mg从Mg熔体析出,并作为异质核心细化Mg晶粒的实验现象. 原子相互作用 关键词： 电子结构 晶粒细化 Mg合金     

掺杂半导体β-FeSi2电子结构及几何结构第一性原理研究

采用基于第一性原理的密度泛函理论全势线性缀加平面波法,使用广义梯度近似处理交换相关势能,首先计算了β-FeSi2的电子结构及其各元素各亚层电子的能态密度,β-FeSi2的电子能态密度主要由Fe的d层电子和Si的p层电子的能态密度确定;其次通过计算不同掺杂系统的总能量确定了掺杂原子在β-FeSi2中的置换位置,在β-FeSi2中,Co置换FeⅡ位置的Fe原子,Al置换SiⅠ位置的Si原子,这种择位置换与现有的计算结果完全一致;最后计算了Fe1-xCoxSi2和Fe(Si1-xAlx)2的电子结构,对它们的电子结构特征进行了分析,并探讨了电子结构对其热电性能(塞贝克系数、电传输及热传输性能)的影响.     

沉积温度对钛硅共掺杂类金刚石薄膜生长、结构和力学性能的影响

采用中频磁控溅射Ti80Si20复合靶在单晶硅表面制备了共掺杂的类金刚石薄膜.研究了沉积温度对薄膜生长速率、化学成分、结构、表面性质和力学性能的影响.结果表明:随沉积温度升高,薄膜生长速率降低,薄膜Ti和Si原子浓度增加,C原子浓度降低;在高温下沉积的薄膜具有低sp3C含量、低表面接触角、低内应力和高的硬度与弹性模量.基于亚表层注入生长模型分析了沉积温度对薄膜生长和键合结构的影响,从薄膜生长机制和微观结构解释了表面性质和力学性能的变化.     

H,Cl和F原子钝化Cu_2ZnSnS_4(112)表面态的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法系统研究了Cu_2ZnSnS_4体相的晶格结构、能带、态密度及表面重构与H,Cl和F原子在Cu_2ZnSnS_4(112)表面上的吸附和钝化机理.计算结果表明:表面重构出现在以金属原子Cu-Zn-Sn终止的Cu_2ZnSnS_4(112)表面上,并且表面重构使表面发生自钝化;当单个H,Cl或F原子吸附在S原子终止的Cu_2ZnSnS_4(112)表面上时,相比于桥位(bridge)、六方密排(hcp)位和面心立方(fcc)位点,三种原子均在特定的顶位(top)吸附位点表现出最佳稳定性.当覆盖度为0.5 ML时,无论H,Cl还是F原子占据Cu_2ZnSnS_4(112)表面的2个顶位均具有最低的吸附能.以S原子终止的Cu_2ZnSnS_4(112)表面在费米能级附近的电子态主要由价带顶部Cu-3d轨道和S-3p轨道电子贡献,此即表面态.当H,Cl或F原子在表面的覆盖度达0.5 ML时,费米能级附近的表面态降低,其中H原子钝化表面态的效果最佳,Cl原子的效果次之,F原子的效果最差.表面态降低的主要原因在于吸附原子从S原子获得电子致使表面Cu原子和S原子在费米能级处的态密度峰几乎完全消失.     

H,He对Ti_3SiC_2材料力学性能影响的第一性原理研究

层状三元化合物Ti_3SiC_2兼具陶瓷与金属的优良性能而得到诸多研究领域的关注.本工作采用第一性原理密度泛函理论研究了氢、氦对该材料解理断裂行为的影响,以期探讨Ti_3SiC_2作为核应用材料的可行性.结果表明Si—Ti相对较弱的化学键使之相应的原子层间成为解理断裂面.氢与氦都易在此原子层间聚集.氦的聚集严重降低材料的解理断裂临界应力促使材料的断裂,而氢则对该临界应力影响不大.两者的差异源于这两类原子与材料中晶体原子相异的电子杂化行为.     

Mg-Zr合金微观组织电子结构研究

用递归法计算了α-Mg与α-Zr的结构能、原子结合能，Mg/Zr界面能与Mg的表面能，Mg中Zr及Zr中Fe，Mn，Si，H等杂质原子相互作用能，Mg，Zr原子态密度及其在合金中的电荷变化. 计算发现，在晶体中与Mg态密度差别很大的Zr在Mg/Zr界面却与Mg趋于相近，从而界面电子环境与Mg相似，为Mg形核生长提供有利条件；α-Zr的结构能、原子结合能低于相应的α-Mg，且Mg/Zr界面能低于Mg的表面能，从能量角度合理解释了Zr先于Mg从Mg熔体析出，并作为异质核心细化Mg晶粒的实验现象. 原子相互作用     

B_2-AgMg金属间化合物点缺陷行为的理论研究

运用密度泛函理论研究了B_2-AgMg金属间化合物中Mg原子空位,反位和Al原子空位,反位缺陷对AgMg热力学性能的影响.结果表明:Mg和Ag反位缺陷由于与周围原子形成典型的共价键而更易于形成.这四种缺陷的出现,破坏了晶体的有序结构,导致了B_2-AgMg金属间化合物的硬度,脆性以及德拜温度出现了不同程度的降低.     

不同密度氢吸附金刚石(100)表面的微观结构

利用基于广义梯度近似的密度泛函理论,计算了金刚石(100)表面不同氢吸附密度的平衡态几何结构和态密度.结果表明对于2×1构型,在平行和垂直表面两个方向上发生弛豫,而1×1构型仅在垂直表面方向上发生弛豫.另外,清洁2×1,2×1 ∶0.5H和1×1 ∶1.5H表面,带隙中存在空表面态;而对于1×1 ∶2H和2×1 ∶H两种表面结构,空表面态上移进入导带,带隙中不存在表面态.结合电荷密度分布,探讨了金刚石(100)不同构型和氢吸附密度表面的表面态诱发机理. 关键词： 氢吸附 金刚石 弛豫 表面态     

Si掺杂Al2O3电子结构的第一性原理计算

本文采用第一性原理对纯Al2O3和Si掺杂的Si 0.167Al0.833O1.5, Si 0.25Al0.75O1.5晶体体系的能带结构、态密度进行了计算分析. 结果发现：随着Si在Al2O3晶体中所占比例的增加,体系能隙变小,在Si 0.25Al0.75O1.5晶体体系中能隙已降到2.5eV,表明该体系为半导体材料;而在掺杂的体系中有数条分散的能带穿过了费米能级,即可以预测该掺杂体系有特别的光电性质;同时对比纯Al2O3和Si掺杂的Si 0.167Al0.833O1.5, Si 0.25Al0.75O1.5晶体体系的总态密度,发现掺杂体系的价带和导带向低能区域移动.     

含色心BaMgF4晶体电子结构的研究

运用相对论性的密度泛函离散变分法(DV-X)研究BaMgF4晶体中F型色心的电子结构.计算中采用冻结原子核的H原子模拟F心,在DV-Xα源程序增加H原子2p态,使F心激发态的计算结果在物理上更加合理.计算结果表明,F心的基态和激发态均出现在禁带中;并用过渡态的方法计算得到F心的电子从基态到激发态的光学跃迁能量为5.12eV,对应242nm处的吸收带,计算结果与实验结果吻合得很好,因此,推测F心在BaMgF4晶体中引起236～274 nm的吸收.     

Si掺杂Al_2O_3电子结构的第一性原理计算

本文采用第一性原理对纯Al2O3和Si掺杂的Si0.167Al0.833O1.5,Si0.25Al0.75O1.5晶体体系的能带结构、态密度进行了计算分析.结果发现:随着Si在Al2O3晶体中所占比例的增加,体系能隙变小,在Si0.25Al0.75O1.5晶体体系中能隙已降到2.5 e V,表明该体系为半导体材料;而在掺杂的体系中有数条分散的能带穿过了费米能级,即可以预测该掺杂体系有特别的光电性质;同时对比纯Al2O3和Si掺杂的Si0.167Al0.833O1.5,Si0.25Al0.75O1.5晶体体系的总态密度,发现掺杂体系的价带和导带向低能区域移动.     

过渡金属氮化物中单原子固溶和力学性能的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理,计算Si原子在Ti族和V族氮化物中以及B、C和Ge原子在TiN晶体中固溶的稳定结构,讨论置换型和间隙型固溶的低能量稳定结构与晶体间距的关系,研究金属氮化物和固溶原子固溶结构的力学性能.结果表明:Si原子在TiN、ZrN、HfN和TaN晶体中固溶以及Ge原子在TiN晶体中固溶情况为,单原子不进入对应过渡金属氮化物晶体中形成间隙固溶或置换固溶,随着晶体间距离变化单原子可以在晶体之间形成间隙固溶或置换固溶;Si原子在NbN以及B原子在TiN晶体中可以实现间隙固溶,而不能形成置换固溶;Si原子在VN和C原子在TiN晶体中固溶结构形式均为置换固溶.单原子固溶形成低能量置换型固溶体和间隙型固溶体的弹性常数、体模量和剪切模量均低于原过渡金属氮化物的对应值.