NiAl和Cr材料中H原子间隙的第一性原理计算

通过第一性原理赝势平面波方法研究了氢原子在B2-NiAl和Cr合金中的占位以及对键合性质的影响. H在NiAl的富Al和富Ni八面体间隙杂质形成能分别为-2.365和-2.022eV,而在四面体间隙不稳定. H在Cr的八面体和四面体间隙的杂质形成能分别为-2.344和-2.605eV. H在NiAl中的最稳定位置为富Al八面体间隙,而在Cr中的最稳定位置是四面体间隙. 可以预期H在B2-NiAl/Cr体系中主要占据Cr 的四面体间隙位置. 通过分析原子结构、电荷集居数、价电荷密度以及态密度,讨论了H对B2 关键词： NiAl/Cr双相合金 H原子 第一性原理     

He原子掺杂铝材料的第一性原理研究

采用基于第一性原理的平面波超软赝势方法,结合广义梯度近似(GGA),计算了铝及铝晶胞间隙位置掺入He原子后体系的几何结构、电子结构、总体能量和电荷布居值.计算结果表明:随着氦在金属铝中逐渐形成,铝晶胞体系会发生晶格畸变,但总的趋势是He在铝体系的八面体位置的晶格畸变小于其在四面体位置的晶格畸变.He在铝晶胞八面体和四面体间隙的杂质形成能分别为1.3367 eV和2.4411 eV.由此可知,He在铝晶胞中最稳定位置是八面体间隙位置.同时,文中还从原子尺度层面分析了He原子在铝晶胞中的占位及其键合性质,讨论 关键词： 铝材料 第一性原理 形成能     

单轴应变对H在α-Fe中占位及扩散的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了H在不同单轴应变下α-Fe中的间隙占位,计算了H原子的溶解能、态密度、电荷差分密度和电荷布居.结果表明:不同单轴拉压应变作用下,H原子优先占据四面体间隙(Ts)位,且随着压应变减小、拉应变增加,H原子越易溶于α-Fe.压应变使得Ts位的H获得更多的电子,而拉应变减少了这种电荷转移.应用LST/QST过渡态搜索计算垂直应变方向的扩散.八面体间隙位是邻近Ts位H的扩散过渡态.扩散激活能与应变呈线性关系,且随着压应变的增加,扩散激活能降低,扩散更容易.     

氦团簇及氦间隙原子在钨中的稳定性研究

首先采用分子动力学方法研究了在钨中预存氦-空位团簇（He_nV₂₂）后氦原子结合能与氦-空位比的关系。研究发现:当氦-空位比小于4.5时,氦原子结合能随氦-空位比呈线性减小趋势;当氦-空位比大于4.5时,氦原子的结合能随氦-空位比出现剧烈振荡的现象,这种现象是由于钨中预存氦-空位团簇随机挤出位错环使体系能量骤降所导致的。与此同时,氦-空位团簇周围出现了一些处于亚稳态的fcc结构和hcp结构的钨。为了研究氦团簇周围压强对钨基体相变的影响,本文利用第一性原理对钨的三种结构进行了高压相变计算,发现静水压力不能使钨的三种结构互相转变。另外,通过对bcc钨和fcc钨中四面体间隙氦原子和八面体间隙氦原子电荷密度差的计算,发现bcc钨中四面体间隙氦原子的稳定性高于八面体间隙氦原子的稳定性,而在fcc钨中四面体间隙氦原子的稳定性弱于八面体间隙氦原子的稳定性。     

铝中氦原子行为的密度泛函研究

用密度泛函理论计算了大量He原子存在时He在金属铝中不同位置的能量,并在理论上预测了铝中的氦原子行为.结果表明,铝晶胞内He原子择优占位区是空位,而在整个晶体范围,最有利于容纳He原子的区域是晶界,其次是空位和位错.在fcc-铝的两种间隙位中,He原子优先充填四面体间隙位.间隙He原子的迁移能很小,易于通过迁移在晶内聚集,或被空位、晶界、位错等缺陷束缚.     

Al辐照损伤初期的第一性原理研究

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波赝势方法,对Al辐照损伤初期产生的本征点缺陷和He缺陷进行了研究.通过晶体结构、缺陷形成能和结合能,分析比较了缺陷形成的难易程度及对晶体稳定性的影响,并从态密度、差分电荷密度和电荷布居的角度,分析了其电子机理.结果表明:对于同类型的缺陷,其造成的晶格畸变越大,体系稳定性越低,缺陷形成的难度越大.同类型缺陷形成的难易程度由易到难依次为空位(置换位原子)、八面体间隙原子和四面体间隙原子,但相同位置的本征缺陷的形成难度小于He缺陷.间隙原子容易与空位结合,且Al原子与空位结合的能力强于He原子.间隙Al原子和He原子主要存在于八面体,且缺陷原子引起部分电子向更高能级转移,并导致与其最邻近的Al原子之间的共价作用减弱,从而降低了体系稳定性.间隙Al原子与最邻近的Al原子之间产生了强烈的共价作用,而He原子和最邻近Al原子之间主要为范德瓦耳斯力和较弱的离子键,这是含He缺陷的体系稳定性更低的重要原因.     

硼/氮原子共注入金刚石的原子级研究

利用Tersoff势和分子动力学方法研究了室温下500 eV的能量粒子硼(4个)和氮(8个)共注入金刚石晶体中晶体结构的变化特征和缺陷分布特征.结果表明：粒子注入金刚石后产生的空位比间隙原子更靠近晶体的近表层分布；间隙原子主要以四面体间隙(T形)和哑铃状分裂间隙的形式存在于晶体中，T形间隙结构更容易存在，并且大部分间隙原子富集在空位的周围；注入金刚石中的硼原子和氮原子有78%左右处于替代位置,硼、氮原子之间的键长比完整金刚石结构的键长短13%，硼氮原子成键有利于减少金刚石晶格的畸变程度.     

铝中氦原子行为的密度泛函研究

用密度泛函理论计算了大量He原子存在时He在金属铝中不同位置的能量,并在理论上预测了铝中的氦原子行为。结果表明,铝晶胞内He原子择优占位区是空位,而在整个晶体范围,最有利于容纳He原子的区域是晶界,其次是空位和位错。在fcc-铝的两种间隙位中,He原子优先充填四面体间隙位。间隙He原子的迁移能很小,易于通过迁移在晶内聚集,或被空位、晶界、位错等缺陷束缚。     

FLAPW方法研究δ-钚(001)面的性质

采用 FLAPW(全势线性缀加平面波)方法,在广义梯度近似(GGA)、反铁磁(AFM)下研究了δ-钚(001)面的性质.计算得到的表面能系数和功函数分别为0.08 eV/(A)2和3.15 eV,接近其近邻元素α-铀的实验值(0.094 eV/(A)2和3.4～3.9 eV).与体相原子相比,表层原子由于近邻原子数目的减少,5f-5f和5f-6d轨道波函数重叠、杂化几率降低,5f电子定域化特性增强,局部磁矩增大.表层原子向内收缩2.70%,然而,由于表面弛豫能很小,δ-钚(001)面相当稳定.     

γ-Fe中氢扩散行为的第一性原理研究

不锈钢中氢脆问题一直是研究者们关注热点,然而至今为止,对于钢中合金元素及空位与H原子之间的作用机理依然不清晰.采用第一性原理方法研究了H原子在不同体系下γ-Fe(Fe₈H、Fe₇Cr/MoH、Fe₇H)的扩散激活能、扩散系数以及扩散过渡态,对比了H原子在不同体系γ-Fe中的扩散难易程度,并从电子结构层次解释其相互作用.研究结果表明,空位的存在会改变H原子在γ-Fe中的扩散路径.在含空位的晶胞中H原子稳定存在于空位附近的近四面体间隙中,并沿空位附近的四面体间隙或八面体到四面体间隙路径扩散. γ-Fe中空位对H原子的影响是局域性的,一方面是捕获H原子的陷阱;另一方面降低了H原子的扩散激活能,促进H原子的扩散.而Cr/Mo的掺杂会降低空位对H原子的束缚,也会抑制H原子的扩散.     

Au(111)表面甲基联二苯丙硫醇盐单层膜的原子结构

利用第一性原理研究了甲基联二苯丙硫醇盐(BP3S)单体、虚拟Au表面BP3S的分子链和单层膜及BP3S/Au(111)吸附系统的原子结构.计算表明BP3S单体呈对称结构,两苯环夹角为35°±10°.首先BP3S单体在虚拟Au(111)表面自组装成稳定的单一分子链.然后在虚拟Au(111)表面,分子链错位排列自组装成两种稳定的单层膜.在虚拟Au(111)-(3~(1/2)×7~(1/2))和Au(111)-(3~(1/2)×13~(1/2))表面,分子链与虚拟表面夹角分别为60°和30°.最后把两种稳定的单层膜吸附在Au(111)表面的四个吸附位,计算表明只有桥位和顶位稳定,且桥位的吸附能比顶位的吸附能低.比较吸附前后BP3S单层膜的结构变化,可知其变化不大,这说明吸附系统的结构参数主要取决于单层膜内的相互作用,衬底对其的影响不大.     

A density functional study of atomic hydrogen and oxygen chemisorption on the relaxed (0001) surface of double hexagonal close packed americium

Ab initio total energy calculations within the framework of density functional theory have been performed for atomic hydrogen and oxygen chemisorption on the (0001) surface of double hexagonal packed americium using a full-potential all-electron linearized augmented plane wave plus local orbitals method. Chemisorption energies were optimized with respect to the distance of the adatom from the relaxed surface for three adsorption sites, namely top, bridge, and hollow hcp sites, the adlayer structure corresponding to coverage of a 0.25 monolayer in all cases. Chemisorption energies were computed at the scalar-relativistic level (no spin-orbit coupling NSOC) and at the fully relativistic level (with spin-orbit coupling SOC). The two-fold bridge adsorption site was found to be the most stable site for O at both the NSOC and SOC theoretical levels with chemisorption energies of 8.204 eV and 8.368 eV respectively, while the three-fold hollow hcp adsorption site was found to be the most stable site for H with chemisorption energies of 3.136 eV at the NSOC level and 3.217 eV at the SOC level. The respective distances of the H and O adatoms from the surface were found to be 1.196 ?and 1.164 ?. Overall our calculations indicate that chemisorption energies in cases with SOC are slightly more stable than the cases with NSOC in the 0.049–0.238 eV range. The work functions and net magnetic moments respectively increased and decreased in all cases compared with the corresponding quantities of bare dhcp Am (0001) surface. The partial charges inside the muffin-tins, difference charge density distributions, and the local density of states have been used to analyze the Am-adatom bond interactions in detail. The implications of chemisorption on Am 5f electron localization-delocalization are also discussed.     

H2S在Cr(111)面上吸附与解离的第一性原理研究

采用了第一性原理研究了H₂S在Cr(111)面的吸附解离过程，利用吸附能、吸附构型和偏态密度图(PDOS)研究了H₂S及其解离产物在Cr(111)面上的吸附情况，都偏向倾斜吸附在Cr(111)面.同时研究了HS/H和S/H共吸附情况，得到共吸附物质在Cr(111)面上有明显的相互作用.最后使用线性同步和二次同步变换方法确定了解离反应的过渡态，了解到第一、二步解离的活化能分别为1.65 eV、0.82 eV,H₂S分子在Cr(111)面上的解离过程是放热反应，反应能为-2.90 eV.     

Theoretical study of the effects of vacancy and oxygen impurity on Ti_2GaC

This paper presents the mono-vacancy formation and migration energies of each element Ti, Ga, and C in the MAX phase Ti2GaC, which are obtained by first principles calculations. We also calculate the formation energies of oxygen substituting for Ti, Ga, and C and two formation energies of oxygen interstitial in different sites. The results show that the formation energy of oxygen substituting for Ti is the highest, and the formation energies of the O substitution for Ga atoms decrease as the oxygen concentration increases. The two different formation energies of one oxygen interstitial show that the stable site for the oxygen interstitial is at the center of the triangle composed by three Ga atoms. The effects of vacancy,oxygen substitution, and the interstitial on the electronic properties of Ti2GaC are also discussed in light of the density of states and the electron charge density.     

O_2在Si掺杂石墨烯上吸附与活化

采用包含色散力校正的密度泛函理论方法(DFT-D)研究了O2在Si掺杂石墨烯(Si-Gra)上吸附与活化.研究结果表明:1)与纯净石墨烯相比,Si掺杂极大的增强了石墨烯对O2的吸附能力.O2的最稳定吸附构型是以Side-on模式吸附在掺杂的Si的顶位,形成O-Si-O三元环.次稳定吸附构型是与Si及近邻的一个C形成O-Si-C-O四元环结构.两个吸附构型对应的吸附能分别为-2.40和-1.93eV;2)O2有两种分解路径:直接分解路径(势垒为0.53eV)和整体扩散后的分解路径(势垒为0.81eV);3)分解之后的两个O原子分别吸附在Si的顶位和相邻碳环的两个碳原子的桥位;4)电子结构分析表明吸附的O2从Si-Gra获得较多电荷,从而被活化.总之,Si-Gra具有较强的催化氧气还原能力,是一种潜在的良好的非金属氧还原催化剂.     

O2在Si掺杂石墨烯上吸附与活化

采用包含色散力校正的密度泛函理论方法(DFT-D)研究了O2在Si掺杂石墨烯(Si-Gra)上吸附与活化. 研究结果表明: 1) 与纯净石墨烯相比, Si掺杂极大的增强了石墨烯对O2的吸附能力. O2的最稳定吸附构型是以Side-on 模式吸附在掺杂的Si的顶位, 形成O-Si-O三元环. 次稳定吸附构型是与Si及近邻的一个C形成O-Si-C-O四元环结构. 两个吸附构型对应的吸附能分别为-2.40和-1.93 eV; 2) O2有两种分解路径: 直接分解路径(势垒为0.53 eV)和整体扩散后的分解路径(势垒为0.81 eV); 3) 分解之后的两个O原子分别吸附在Si的顶位和相邻碳环的两个碳原子的桥位; 4) 电子结构分析表明吸附的O2从Si-Gra获得较多电荷, 从而被活化. 总之, Si-Gra具有较强的催化氧气还原能力, 是一种潜在的良好的非金属氧还原催化剂.     

Adsorption sites in coadsorption systems determined by photoemission spectroscopy: K and CO coadsorbed on Rh(111)

The adsorption sites of coadsorbed K and CO on the Rh(111) surface have been determined using high-resolution core-level spectroscopy, low-energy electron diffraction and site-resolved photoelectron diffraction. For both a (2×2)-2CO–1K and a -6CO–1K structure, we find that the CO molecules occupy threefold hollow sites and the K atoms on-top sites, contrary to the adsorption sites of K (threefold hollow site) and CO (on-top site below 0.5 monolayers) if adsorbed alone on Rh(111). Deposition of K onto a CO precovered surface is found to induce large shifts towards lower binding energy of the C and O 1s core levels (0.7 eV for C 1s and 1.5 eV for O 1s). The major part of these shifts is shown to arise from the K-induced site change of the CO molecules. This finding may be of importance in the interpretation of XPS data of related co-adsorption systems. Finally, it is suggested that the C and O 1s binding energies provide useful fingerprints of the CO adsorption site also for co-adsorption systems.     

Ti、Cr对钒抗氧化性能影响的第一性原理研究

高温氧化是限制钒合金应用的主要原因之一。利用第一性原理计算了Ti、Cr杂质原子掺入钒基体后，O在钒合金中的杂质形成能的变化。结果表明：O杂质原子在钒中占据八面体间隙位更稳定，且杂质形成能为-4.65eV，Ti掺杂会降低O的杂质形成能，使O在晶体内部扩散更容易，Cr掺杂的情况与Ti掺杂相反。并且还计算了体系电子结构、布局分布和电荷密度，进一步分析所得到的结论与杂质形成能的计算结果一致。     

Ti、Cr对钒抗氧化性能影响的第一性原理研究

高温氧化是限制钒合金应用的主要原因之一。利用第一性原理计算了Ti、Cr杂质原子掺入钒基体后,O在钒合金中的杂质形成能的变化。结果表明：O杂质原子在钒中占据八面体间隙位更稳定,且杂质形成能为-4.65eV,Ti掺杂会降低O的杂质形成能,使O在晶体内部扩散更容易,Cr掺杂的情况与Ti掺杂相反。并且还计算了体系电子结构、布局分布和电荷密度,进一步分析所得到的结论与杂质形成能的计算结果一致。