高压下金属Ba的结构稳定性以及热动力学的第一原理研究

采用第一原理方法计算了高压下金属Ba的三个高压相 Ba-I, Ba-Ⅱ和Ba-V的稳定性及热动力学性质.结果表明, Ba的三个高压相在0 K时在其压力范围内都是动力学和力学稳定的;但随压力增加, Ba-I 和Ba-Ⅱ 的声子谱频率出现异常"软化",而Ba-V则出现"硬化".虽然 Ba-Ⅱ 和 Ba-V 同为六方密堆(hcp)结构,计算表明它们在高压下表现出了不同的弹性各向异性.计算同时发现 Ba-Ⅱ 在更高的压力下仍满足力学稳定条件,但声子谱有虚频存在, 表明动力学失稳是Ba-Ⅱ在压力下向Ba-I!V相转变的原因. 计算和比较了同为六方密堆(hcp)结构的Ba-Ⅱ和Ba-V在高压下的声速、 德拜温度、体模量、剪切模量等力学和热学性质, 展现了金属Ba在压力下的稳定机制和热动力学性质.     

BeO高压相变和声子谱的第一性原理计算

采用第一性原理方法计算了BeO在零温时的高压相变和三种结构在零温零压时的声子谱.相变的计算表明,在122GPa左右的压力下BeO会发生从纤锌矿(B4)结构到氯化钠(B1)结构的相变,而闪锌矿(B3)结构在零温零压下是一种可能的亚稳态结构.采用冷声子方法计算了这三种结构的BeO在零温零压下的声子谱.计算结果表明:B1结构在零温零压下是一种不稳定的结构;尽管B4结构和B3结构具有明显的相似性,仍然可以通过声子谱来很好的区分.最后根据准简谐近似理论计算得到了BeO的高温高压相图.     

钍基碳化物ThC的高压结构稳定性研究

钍基碳化物ThC是重要的核材料,基于第一性原理计算,我们研究了ThC的结构稳定性及相变.声子色散曲线表明基态结构的晶格能够稳定到42 GPa附近,当压力继续升高时虚频的出现表明了动力学的不稳定.经比较基态Fm-3m及高压相Pnma结构的自由能,发现零温下,相变压力为22.4 GPa,符合声子色散曲线的结果,同时预测了两种结构的相变边界.     

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.     

从头算自洽晶格动力学研究高压下钛结构相的稳定性

借助能够考虑声子间相互作用的从头算自洽晶格动力学方法,计算了钛的高温声子色散曲线,并通过分析其声子频率,计算了高温高压下的声速,并由声速获得了弹性常数的数据．通过分析声子色散 曲线能够直接获得钛各种相的动力学稳定区域,比较各相的自由能,较为准确地获得了钛的相图．     

高温高压下过渡金属Ru的结构相变

采用基于密度泛函理论的第一性原理和准简谐晶格动力学方法对Ru的六角密排 (hcp)、面心立方 (fcc)、体心四方 (bct) 和体心立方 (bcc) 结构的磁性、晶格结构稳定性和高温高压下的相变进行了系统的研究. 计算获得了各相结构的磁性基态及其稳定性范围, 结果表明: 零温下在计算的压力范围内, NM-hcp 结构是Ru最稳定的结构, 压力的单独作用下并没有相变的发生; NM-fcc结构是Ru的亚稳定结构, 而NM-bcc和FM-bct结构在动力学上并不稳定. 高温高压下Ru将发生从NM-hcp到NM-fcc结构的相变, 并给出了Ru的温度压力相图. 关键词： 相变 晶格稳定性 磁性 第一性原理     

金属锇超高压结构的理论研究

本文采用基于从头算演化理论的晶体结构预测方法,对过渡金属锇（Os）的高压结构进行了系统研究. 结果表明,在0~1000 GPa压力范围内,金属Os一直保持六角密堆结构（hcp）,没有发生结构相变,排除了前人提出的hcp到ω相变的可能. 我们深入利用赝势平面波方法和全电子缀加波方法对ω相（P6/mmm）及hcp相进行了优化,并比较了能量随体积（压强）的变化关系,两种方法均证实了我们的结论.     

高压下钼的声子色散的改进分析型嵌入原子法研究北大核心CSCD

应用改进分析型嵌入原子法模型计算了不同高压下金属钼的原子力常数和动力学矩阵,重现了压强下金属钼沿[00ζ]、[0ζζ]和[ζζζ]3个高对称方向上声子色散的实验结果,预测了钼在压强分别为60、80和100 GPa时的声子色散曲线。结果表明:压强分别为0.1 MPa、17 GPa和37 GPa时金属钼的声子色散曲线的模拟结果和实验值符合较好,特别在低频附近二者几乎一致,而在布里渊区的边界点附近,两者在数值上略有差异;在压强分别为60、80和100 GPa时所预测的声子色散曲线和常压下声子色散曲线的形状都非常相似;高压下所有振动支的振动频率均高于常压下的振动频率,且振动频率随压强的增大而增大。     

高压下γ'-Fe4N晶态合金的声子稳定性与磁性

利用基于密度泛函理论的第一性原理研究了高压下有序晶态γ’-Fe₄N合金的晶格动力学稳定性与磁性. 对比没有考虑磁性的γ’-Fe₄N的声子谱, 得出压力小于1 GPa时, 自发磁化诱导了铁磁相γ’-Fe₄N基态晶格动力学稳定. 压力在1.03-31.5 GPa时, Σ线上的点(0.37, 0.37, 0)、对称点X和M 上相继出现了声子谱软化现象. 压力在31.5-60.8 GPa时, 压致效应与自发磁化对诸原子的作用达到了稳定平衡, 表现出了声子谱稳定. 压力大于61.3 GPa时, 随着压力的增大压力诱导体系动力学不稳定性越强. 通过软模相变理论对于γ’-Fe₄N, 在10 GPa下的声学支声子的M点处软化现象的处理, 发现了动力学稳定的高压新相P2/m-Fe₄N. 压力小于1 GPa时高压新相P2/m-Fe₄N 是热力学稳定的相, 且磁矩与γ’-Fe₄N的磁矩几乎相同. 2.9-19 GPa时, P2/m相的焓比γ’相的焓小, 基态结构更稳定. 大于20 GPa时, 两相磁矩几乎相同.     

Reconstructive structural phase transitions in dense Mg

The question raised recently about whether the high-pressure phase transitions of Mg follow a hexagonal close-packed (hcp) → body centered cubic (bcc) or hcp → double hexagonal close-packed (dhcp) → bcc sequence at room temperature is examined by the use of first principles density functional methods. Enthalpy calculations show that the bcc structure replaces the hcp structure to become the most stable structure near 48 GPa, whereas the dhcp structure is never the most stable structure in the pressure range of interest. The characterized phase-transition mechanisms indicate that the hcp → dhcp transition is also associated with a higher enthalpy barrier. At room temperature, the structural sequence hcp → bcc is therefore more energetically favorable for Mg. The same conclusion is also reached from the simulations of the phase transitions using metadynamics methods. At room temperature, the metadynamics simulations predict the onset of a hcp → bcc transition at 40 GPa and the transition becomes more prominent upon further compression. At high temperatures, the metadynamics simulations reveal a structural fluctuation among the hcp, dhcp, and bcc structures at 15 GPa. With increasing pressure, the structural evolution at high temperatures becomes more unambiguous and eventually settles to a bcc structure once sufficient pressure is applied.     

Molecular dynamics simulations of phase transition of n-nonadecane under high pressure

The phase transition behavior of n-nonadecane under high pressure was investigated with molecular dynamics (MD) simulations method. A simplified model with amorphous structure and periodic boundary conditions in constant-temperature, constant-pressure ensemble was used in this study. The results showed that the whirling and molecules motion of n-nonadecane chains were restrained by the high pressure. The simulated phase transition temperature of n-nonadecane under high pressure is higher than that under atmospheric pressure. The order parameter of n-nonadecane decreases with the increase in temperature. The simulations reveal that MD is an effective method to understand the phase transition of alkane-based phase change materials on molecular and atomic scale.     

Prediction of a bcc-hcp phase transition for Sn: A first-principles study

The high-pressure structural transformation of elemental Sn is studied using an ab initio density functional theory implementation of the metadynamics method that predicts with sufficient compression, Sn will transform from the bcc structure into an hcp structure. The low-free-energy pathway associated with this phase transition is characterized as the Burgers transition mechanism. The superconducting properties of Sn under pressure are also investigated. Both bcc and hcp structures of Sn exhibit very weak electron-phonon coupling and therefore would not sustain superconductivity at high pressure.     

室温下Fe62Ni27Mn11（wt%）合金的压致fcc-hcp相变

 本文采用Mao-Bell型金刚石对顶砧（DAC）及高压在位（in situ）粉末X光衍射照相方法研究了Fe₆₂Ni₂₇Mn₁₁（wt%）合金在0~43.2 GPa压力范围内的压致结构相变和等温压缩行为，实验结果表明，该合金在低压时为fcc结构，在19.4 GPa压力附近出现压致fcc→hcp结构相变，直到43.2 GPa一直保持fcc、hcp二相共存；相变过程中，二相的molar体积相同；高压hcp相得晶格参数比值c/a基本上不随压力而变，可以表示为c/a=1.630±0.006；在卸压过程中，hcp相可保持到5.8 GPa，当卸压到常压时，该合金完全恢复到fcc结构；用Murnaghan等温固体状态方程对其压缩数据进行最小二乘法拟合，得到B₀=(166±12) GPa，B₀'=5.2±0.5；本文还给出了该合金的压致fcc→hcp结构相变模型，并对存在很宽的二相共存区间问题进行了初步探讨。     

极端条件下锆的动力学稳定性研究

过渡金属Zr具有优良的物理、化学及力学性能, 具有广泛的应用价值. 主要通过新近发展的自洽晶格动力学方法, 充分考虑声子间的相互作用, 成功获得了β-Zr的高温高压声子色散曲线, 预测了β-Zr在相图中能够稳定存在的区域, 进一步比较α-Zr, ω-Zr和β-Zr的自由能, 获得了α-β 及ω-β 相变的相边界, 构建了Zr的参考相图. 同时, 也获得了β-Zr的高温状态方程及热膨胀系数, 能够为构建Zr的全区物态方程提供有益的参考.     

Effect of high pressure on metastable and stable intermediate hcp phases formed in the Ag-17at%Ge alloy

Abstract

A metastable hexagonal close-packed (hcp) phase obtained by rapid quenching from the melt has been compressed to 5.7 GPa and annealed up to 1023 K. The axial ratios (c/a) of the hcp structure at the initial state, the stable state annealed under high pressure (5.7 GPa, 673 K) and the quenched state from high pressure and high temperature condition are 1.630, 1.635 and 1.628, respectively.

The volume reduction of the hcp structure by application of high pressure gives rise to increase the c/a ratio, which corresponds to an apparent reduction in the number of valence electrons per atom (e/a) in the Hume-Rothery alloys.     

Fe的结构与物性及其压力效应的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的平面波赝势方法，计算了Fe的几种不同晶体结构的总能量曲线，对HCP结构下晶体结构参数c/a随压强的变化关系做计算分析. 能量计算精度取为0.01 eV/atom. 计算得出： 1) 零温下Fe从bcc到hcp结构的相变压强约为15 GPa，与实验结果相一致； 2) 压强的升高会导致Fe的磁矩减小，最终破坏Fe的磁性； 3) 压强升高引起hcp晶体结构参数c/a缓慢增大，而在地核压强(135—360 GPa)范围内，c/a取常量约1.59能够满足计算精度的要求. 关键词： 第一性原理计算 压力效应 Fe的结构与物性     

Ce-La-Th合金高压相变的第一性原理计算

采用第一性原理计算对Ce_(0.8)La_(0.1)Th_(0.1)在高压下fcc-bct的结构相变、弹性性质及热力学性质进行了研究讨论.通过对计算结果的分析,发现了合金在压力下的相变规律,压强升高到31.6 GPa附近时fcc相开始向bct相转变,到34.9 GPa时bct相趋于稳定.对弹性模量的计算结果从另一角度反映了结构相变的信息.最后,利用准谐德拜模型对两种结构的高温高压热力学性质进行了理论预测.