高压下NH_4ClO_4结构、电子及弹性性质的第一性原理研究

研究高压下NH_4ClO_4的结构和性质对于NH_4ClO_4在固体推进剂和炸药的安全应用具有重要意义.采用基于色散校正密度泛函理论的第一性原理方法,研究了0—15 GPa静水压力下NH_4ClO_4的晶体结构、分子结构、电子性质和弹性性质,计算结果与实验值具有较好的一致性.在压强为1,4和9 GPa时,NH_4ClO_4的晶体参数、键长和分子构型等均出现不连续变化,说明了在压强作用下结构发生变化.随着压强增加,氢键增多且作用增强,由分子内氢键向分子内和分子间的氢键转变;导带态密度峰值增加,电子局域性增强,晶体内N-H和Cl-O共价键作用增强,带隙增大,不同相变区域内带隙呈线性关系.0—15 GPa条件下NH_4ClO_4的弹性常数满足力学稳定性标准,采用Voigt-Reuss-Hill方法计算了体积模量B,剪切模量G和杨氏模量E,根据Cauchy压力和B/G值,说明NH_4ClO_4属于韧性材料,随着压强增加韧性增强.     

压力作用下Mg_2X(X=Si,Ge)相热力学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了压力作用下Mg_2Si和Mg_2Ge的结构、弹性和热力学性质。计算结果表明:0GPa压力作用下两者的晶格参数与实验值以及其他理论值吻合较好,且相对晶格常数a/a_0和晶胞体积V/V_0均随压力的增大而减小;在0~25GPa压力作用下,Mg_2Si和Mg_2Ge相体模量B、剪切模量G、杨氏模量E均随压力的增大而增大,材料的刚度和塑性均增强,当压力达到15GPa时,材料由脆性转变为延性。最后借助准谐德拜模型和Gibbs软件,研究了温度与压力对Mg_2Si和Mg_2Ge的德拜温度、体模量、热容和热膨胀系数的影响。     

高温高压下碳化钨晶体的结构、力学、电子、光学以及热力学性能的第一性原理计算

本文利用密度泛函理论中的广义梯度近似对碳化钨晶体的三种结构(碳化钨相、闪锌矿相以及纤锌矿相)进行了优化,得到能量最低的稳定构型,并在此基础上计算了它的力学、电子、光学和高温高压下的热力学性质.研究表明:在0～300 GPa压力范围内,碳化钨相具有最高的稳定性.同时,高压下碳化钨相的弹性常数满足Born-Huang准则,且0 GPa和300 GPa下的声子色散没有虚频,证明了高压下碳化钨相的静力学稳定性和动力学稳定性.电子性质表明了碳化钨的金属性.光学性质表明碳化钨在高能区很难吸收光.热力学性质的研究表明:体积比V/V_0对压强的变化更敏感;高温时C_V曲线近似一条直线;给定压强下热膨胀系数α在600 K温度以上增长非常缓慢;压强对德拜温度Θ_D的影响较大;在低压下格林艾森系数γ的变化较大.     

高温高压下碳化钨晶体的结构、力学、电子、光学以及热力学性能的第一性原理计算

本文利用密度泛函理论中的广义梯度近似对碳化钨晶体的三种结构(碳化钨相、闪锌矿相以及纤锌矿相)进行了优化，得到能量最低的稳定构型，并在此基础上计算了它的力学、电子、光学和高温高压下的热力学性质.研究表明:在0～300 GPa压力范围内，碳化钨相具有最高的稳定性.同时，高压下碳化钨相的弹性常数满足Born-Huang准则，且0 GPa和300 GPa下的声子色散没有虚频，证明了高压下碳化钨相的静力学稳定性和动力学稳定性.电子性质表明了碳化钨的金属性.光学性质表明碳化钨在高能区很难吸收光.热力学性质的研究表明:体积比V/V_0对压强的变化更敏感;高温时C_V曲线近似一条直线;给定压强下热膨胀系数α在600 K温度以上增长非常缓慢;压强对德拜温度Θ_D的影响较大;在低压下格林艾森系数γ的变化较大.     

ZrV2结构、弹性和热力学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法研究ZrV₂的晶体结构和弹性,利用准谐Debye模型计算在不同温度(T=0~1200 K)和不同压强(P=0~20 GPa)下ZrV₂的热力学性质,包括弹性模量与压强,热熔与温度,以及热膨胀系数与温度和压力的关系.结果表明:计算的ZrV₂晶格常数与实验值符合较好,晶体材料的弹性常数随着压力增加而增加;在一定温度下,相对体积、热熔随着压强的增加而减小,德拜温度、弹性模量随着压强的增加而增加,且高压下温度对ZrV₂热膨胀系数的影响小于压强的影响.     

高压下Py-FeO2、Py-FeOOH和ε-FeOOH晶体结构与弹性特征的第一性原理研究

Py-FeO₂、Py-FeOOH和ε-FeOOH是地幔及核幔边界的重要成分,其在高温高压下的物性演化特征对了解地幔物质组成和结构及动力学过程有重要意义,为此利用第一性原理方法计算了0~350 GPa条件下Py-FeO₂和Py-FeOOH以及0~170 GPa条件下ε-FeOOH的晶体结构与弹性性质。Py-FeO₂和Py-FeOOH的晶格常数随压强的增加呈逐渐减小趋势,而ε-FeOOH的晶格常数随压强增加而减小,其中c轴更容易被压缩。Py-FeO₂、Py-FeOOH和ε-FeOOH的晶胞密度随压强增加而增大,按照密度由大到小依次为Py-FeO₂、Py-FeOOH、ε-FeOOH。3相的体积模量随压强的增加线性增加,Py-FeO₂和Py-FeOOH的剪切模量随压强的增加线性增加。对比体积模量可知,Py-FeO₂的体积模量最高,Py-FeOOH和ε-FeOOH的体积模量在高压下几乎一致;而Py-FeO₂的剪切模量最大,ε-FeOOH的剪切模量最小。Py-FeO₂、Py-FeOOH和ε-FeOOH的压缩波速随压强的增加而增加,Py-FeO₂的剪切波速随压强的增加而增加。Py-FeOOH的剪切波速在0~2000 km深度范围内随深度增加而减小,在2000~6000 km深度范围内变化较小(在5.8~6.0 km/s之间);ε-FeOOH的剪切波速在33 GPa(约900 km深度)发生突变。3相中ε-FeOOH的波速最低,而Py-FeO₂的波速最高。综合计算结果表明,Py-FeO₂和Py-FeOOH具有高密度、低波速的特点,与地幔超低速区的性质一致。Py-FeO₂和Py-FeOOH在形成之后可能富集下沉到核幔边界,成为超低速区的来源。ε-FeOOH在超过33 GPa压强条件下发生的氢键对称化给ε-FeOOH的结构带来显著变化,同时氢键对称化会影响原子间相互作用,进而影响ε-FeOOH的弹性性质以及地震波速。     

极端条件下6Li2O的热力学性能与电子结构

 采用密度泛函理论与准谐振德拜模型研究了面心立方相的⁶Li₂O在极端条件下的热力学性质与电子结构。结果表明: ⁶Li₂O的热膨胀系数在任何温度下都随压强增加明显降低,但仅当压强较低(低于40 GPa)时,温度对6Li2O的热膨胀系数的影响才明显;O原子半径随压强增大而迅速降低,而随温度的变化并不明显;在低压条件下(低于40 GPa),带隙随温度的升高缓慢降低;而在高压条件下(高于40 GPa),温度对带隙宽度的影响几乎可以忽略;无论在什么温度条件下,带隙宽度均随压强的增大而迅速增加。     

第一性原理计算航天新材料金属锆的压缩行为

在密度泛函理论的基础上,运用局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)两种方法,并通过第一性原理等方法对锆晶体在0到50GPa下的物理性质进行了深入、系统的研究。结果表明,相比于广义梯度近似的计算结果而言,局域密度近似的计算结果和实验值更接近,但两者相差不是很大。并通过经典方法对锆晶体模拟计算了高压下的结构性质,得到的结果表明,在讨论的压强范围内,晶格参数与晶胞体积发生了非线性的变化,然而晶胞能量却随压强线性变化。通过对其相应的弹性性质的分析,发现随着压强的增大,锆晶体获得较好的延展性以及力学的稳定性。同时还得到了关于金属锆的能带结构特性及其光学性质,证实压强的改变对金属锆电子性质不会带来太大影响。     

航天新材料金属锆的压缩行为

在密度泛函理论的基础上,运用局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)两种方法,并通过第一性原理等方法对锆晶体在0～50 GPa下的物理性质进行了深入、系统的研究.结果表明,相比于广义梯度近似的计算结果而言,局域密度近似的计算结果和实验值更接近,但两者相差不是很大.并通过经典方法对锆晶体模拟计算了高压下的结构性质,得到的结果表明,在讨论的压强范围内,晶格参数与晶胞体积发生了非线性的变化,然而晶胞能量却随压强线性变化.通过对其相应的弹性性质的分析,发现随着压强的增大,锆晶体获得较好的延展性以及力学的稳定性.同时还得到了关于金属锆的能带结构特性及其光学性质,证实压强的改变对金属锆电子性质不会带来太大影响.     

高压下闪锌矿InN光电性质的密度泛函研究

 采用密度泛函理论,计算了闪锌矿型InN在压力下的结构、力学性质和光学性质,结果显示,随着压强的增大晶格常数减小。给出了零压下C₁₁、C₁₂、B、C_s、C₄₄的值及至70 GPa压力下弹性常数随压强的变化关系。结果表明,C₁₁、C₁₂、B随压强增大而增大,C_s、C₄₄随压强增大而减小,计算结果与现有实验和理论结果符合较好。在价带区,InN的分态密度（PDOS）有两个带,且在费米面附近密度很小,显示其倾向于形成稳定结构并且导电性较差。对闪锌矿型InN在高压下的光学性质研究发现,导带电子向高能方向偏移,而价带电子向低能方向偏移,结果导致能带间隙增大,光吸收谱在压力的作用发生了“蓝移”。研究结果对认识高压下闪锌矿型InN的结构、电学及光学性质具有重要意义。     

高压下P42/mnm和Pnnm晶体结构SnO_2密度泛函研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的平面波超软赝势法,用广义梯度近似(GGA)PBE交换相关泛函,对P42/mnm和Pnnm晶体结构SnO_2的力学性质进行第一性原理计算。计算表明,两种结构SnO_2的晶体结构参数与实验和理论值符合较好。随着压强的增大,P42/mnm型SnO_2的生成焓呈抛物线状缓慢增大,Pnnm型SnO_2的生成焓为一直线迅速上升。P42/mnm结构弹性常数随压强增加规律增大,Pnnm结构弹性常数无规律性变化,外界压强为11.06GPa时发生相变。两结构中低指数面中Pnnm结构的{100}晶面族之间滑移的可能性最大、最不稳定,{001}晶面族间结合最牢固。金红石型SnO_2维氏硬度计算理论值为10.49GPa,Pnnm结构为11.42GPa。德拜温度计算表明,结构对称性高低的差异,造成P42/mnm结构德拜温度在一个小范围内波动,而Pnnm结构德拜温度在8~10GPa内有突变,呈缓慢下降的趋势。     

压力对有机半导体均苯四甲酸晶体结构转变和电子性质的影响

研究高压条件下均苯四甲酸(C₁₀H₆O₈)材料的结构和性质对探索有机半导体材料的应用有积极意义.基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,开展了0-300 GPa压强下C₁₀H₆O₈晶体的结构、电子和光学性质的研究.晶格常数在压强20 GPa和150 GPa下出现了明显跳变,且原子之间随着压强变化反复地出现成键/断键现象,表明压强可诱导晶体结构变化.电子结构的性质表明,0 GPa的C₁₀H₆O₈晶体是带隙为3.1 eV的直接带隙半导体,而压强增加到150 GPa时,带隙突变为0 eV,表明了晶体由半导体转变为导体.当压强为160 GPa时,晶体又变成了能隙约为1eV的间接带隙半导体,这可能是费米能级附近仅受O-2p轨道电子影响所导致.通过对C₁₀H₆O₈晶体介电函数的分析,再次验证了晶体在150 GPa时发生了结构相变.同时...     

温度和压强对金属化合物Co_2Zr和Co_2Ti的结构和热力学性质影响的研究

基于平面波赝势密度泛函理论(DFT)和广义梯度近似(GGA)的第一性原理计算了高温高压下金属化合物Co_2Zr和Co_2Ti的结构和热力学性质.Co_2Zr和Co_2Ti均为立方晶体,且结构类型为Cu2Mg结构.通过计算得出的晶格参数跟实验值符合较好.用准谐德拜模型计算了Co_2Zr和Co_2Ti的热力学性质.在0~100 GPa的压强和0~1500 K的温度作用下,两种物质的德拜温度Θ,热容CV,热膨胀系数α随压强和温度的变化而变化.随着压强的增大,德拜温度单调的增加;相同压强下,Co_2Ti的德拜温度始终大于Co_2Zr.热容CV和热膨胀系数α均随温度的增加而增加,增大压强时反而减小,说明减小温度和增大压强对CV以及α有相同的影响.     

ZrH_2结构与热力学性质

基于密度泛函理论,采用全势线性缀加平面波加局域轨道方法和广义梯度近似研究了ZrH2的结构与弹性性质。结果表明:在基态条件下,ZrH2的晶格常数计算值与实验值及其它理论值相当吻合。在考虑声子作用的前提下,采用准谐德拜模型成功获得了不同条件下(0~50 GPa,0~1 300 K)ZrH2的热容、热膨胀系数和德拜温度等热力学性质。结果表明:定压热容预测值随温度升高而增大,并逐渐接近佩蒂特-杜隆极限;随压强增加,德拜温度呈增加趋势;随温度增加,德拜温度呈减小趋势;在压强一定的条件下,热膨胀系数随温度的升高而增大,且在高温高压条件下,热膨胀系数的增加趋势变缓。     

高压下Zn2GeO4带隙变化的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了Zn₂GeO₄晶体在高压下的电子结构和带隙变化行为. 研究结果发现, 随着压强的增加, Zn₂GeO₄ 能带间隙先变大, 在压强为9.7 GPa时达到最大值, 然后减小. 通过电子态密度、电荷布居数和电子差分密度分布图的研究分析可知:在低压区域(0< P< 9.7 GPa), 带隙的变大主要是由于原子间距离的减小造成的共价性增强和Ge原子随压强的变大局域性增强引起的; 在高压区域(P>9.7 GPa), 则是出现了离域现象, 诱发了离域电子的产生, 从而使带隙减小.     

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运用密度泛函理论方法,采用MS中CASTEP模块计算了铀晶体的能量随体积变化的关系,并绘制了E-V曲线。运用准谐振子德拜模型计算了压强从0~100GPa、温度从0~2000K下的晶体铀的相对体积,发现相对体积随着温度和压强的增加而减小。并成功得到了热膨胀系数、热容、以及体弹模量随温度和压强的变化关系。预测了铀的热力学性质。为铀晶体在高温高压下的实验研究提供了理论依据。     

第一性原理研究Mg2 Si同质异相体的结构、电子结构和弹性性质

在第一性原理框架下,采用赝势平面波方法研究了三种Mg₂Si同质异相体的晶胞结构、电子结构和弹性性质随压强的变化关系.研究发现,反萤石结构Mg₂Si、反氯铅矿结构Mg₂Si和Ni₂In型Mg₂Si分别在压强为0-7 GPa,7.5-20.2 GPa和21.9-40 GPa范围内能够保持结构稳定.计算获得了不同压强下Mg₂Si的弹性常数、体模量、剪切模量、杨氏模量、泊松比和各向异 关键词： 态密度 电子结构 弹性常数 第一性原理     

不同压强下BiI3的电子结构和光学性质

基于密度泛函理论研究了压强对BiI3的结构、电子和光学性质的影响,研究过程中考虑了自选轨道耦合（SOC）效应。计算的能带结果表明：在0GPa条件下,BiI3具有1.867电子伏特的间接带隙,随压强的提升带隙值降低;施加压强也能增强BiI3的光吸收系数和光电导率。0GPa条件下,BiI3的吸收系数为4×105 cm-1,光电导率为3×103 Ω-1•cm-1,因此 BiI3可作为光伏应用的备选材料。     

高压下MgN8晶体结构理论模拟与物性研究

基于密度泛函理论第一性原理的方法,使用CALYPSO结构搜索技术结合VASP软件,在0~100 GPa压强范围内对MgN8的晶体结构进行预测,并对预测的结构进行系统研究。结果表明:在常压下,空间群为P4/mbm的α-MgN8晶体结构的焓值最低;当压强达到24.3 GPa和68.3 GPa时发生相变,分别相变成空间群为P4/mnc的β-MgN8相和空间群为Cmcm的γ-MgN8相,两次相变均为对应体积坍塌的一级相变。电子性质计算结果表明,α-MgN8相的导带与价带之间具有3.09 eV的带隙,表明该结构具有非金属性;β相和γ相具有明显的金属特征。Bader电荷转移计算表明,随着压力的增加,Mg原子向N原子转移的电荷逐渐增多。     

高温高压下合金碳化物Fe3Mo3C热力学性质的第一性原理计算

基于平面波赝势密度泛函理论的第一性原理与准谐德拜模型结合的方法研究了高温高压下合金碳化物Fe₃Mo₃C的热力学性质.在压强范围为0～40 GPa和温度范围为0～1200 K的条件下,Fe₃Mo₃C的体积比V/V₀、体弹性模量B和德拜温度θ受压强的影响比温度更大.温度一定时,体弹性模量和德拜温度随压强的增大而迅速增大. Fe₃Mo₃C的热容C_v、熵S以及热膨胀系数α受温度的影响较压强更大.压强一定时,材料的热容、熵以及热膨胀系数均随温度升高单调增大,其中,热容和热膨胀系数随温度先快速上升后趋于平缓,最后热容接近于Dulong-Petit极限.