三元Nb系和Ta系硼碳化物稳定性和物理性能的第一性原理研究

过渡金属轻元素化合物是高硬度材料的潜在候选.以往研究多集中在二元过渡金属硼化物、碳化物和氮化物,三元相的研究则相对较少.本文通过提炼和堆垛已知相Nb_3B_3C (Ta_3B_3C)和Nb_4B_3C_2 (Ta_4B_3C_2)的结构基元,构建不同组分的Nb-B-C和Ta-B-C三元相结构模型,采用第一性原理计算方法,计算所建结构的形成焓、声子谱和弹性常数,通过判断其热力学、动力学和力学稳定性,绘出了三元Nb-B-C和Ta-B-C相图,成功预测了5种Nb-B-C和6种Ta-B-C三元稳定相.力学和电学性能计算结果显示Nb-B-C和Ta-B-C三元稳定相均为高硬度导电材料,硬度大约为25 GPa.     

第一性原理计算M_2C (M=V,Nb, Ta)的结构、弹性和热力学性质（英文）

通过密度泛函理论的第一原理计算,研究了M_2C (M=V, Nb, Ta)(空间群:pbcn, No:60)在高压下的电子结构、弹性和热力学性质.该理论是建立在平面波的基础上,该平面波将在CASTEP代码中实现.首先,本文计算的晶格常数与已有的实验结果和理论数据吻合较好.其次,计算了过渡金属碳化物的分波态态密度和总态密度,结果表明这三种过渡金属碳化物均为金属,金属丰度由高到低的顺序为:V_2C Nb_2C Ta_2C.第三,研究了高压下的弹性常数C_(ij)、集料弹性模量(B、G、E)和泊松比.其中计算得到Ta_2C的体积模量最高(257 GPa).根据弹性稳定性判据,预测这三种化合物在100 GPa以内均具有力学稳定性.计算的B/G比值表明,这三种化合物在100 GPa范围内具有延展性.最后,利用准谐德拜模型研究了这三种化合物的热力学性质.     

二维Nb_2SiTe_4基化合物稳定性、电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于第一性原理计算,确定了3种稳定未被报道的Nb_2SiTe_4基化合物(A_2BX_4:Nb_2SiSe_4, Nb_2SnTe_4和Ta_2GeTe_4),研究了其电子结构,光学性质以及应力工程对其电子结构的调控.计算结果表明上述3种化合物具有类似Nb_2SiTe_4的窄带隙值、强的光吸收性能以及显著的光学各向异性,可用于光电器件之中.其晶格常数范围为6.04 ?≤a≤6.81 ?, 7.74 ?≤b≤8.15 ?. Ta2GeTe4的晶格参数与Nb_2SiTe_4几乎相同,带隙值减小了0.15 eV,可应用于远红外光探测.应力工程表明外加双轴拉伸应力可减小A_2BX_4体系带隙值.外加双轴压缩应力时, A_2BX_4体系价带顶轨道可出现反转(Nb_2SiTe_4, Nb_2GeTe_4和Ta_2GeTe_4),由B位阳离子占据态d轨道主导转变为B位阳离子占据态d轨道与X位阴离子满p轨道共同主导,导致带隙值变化趋势异常.我们预测该价带顶轨道的反转可有效降低空穴有效质量,促进载流子的迁移,有助于器件性能的提升.     

过渡金属化合物OsB2与OsO2低压缩性的第一性原理计算研究

利用基于密度泛函理论平面波赝势法的第一性原理计算,研究了过渡金属化合物OsB2和OsO2的金红石相、黄铁矿相与萤石相三种结构在高压下的状态方程和结构特性以及OsO2可能的高压相变.理论计算结果支持OsB2与OsO2的萤石相是潜在超低可压缩性的硬性材料.同时,也分析了它们的电子结构,力求理解大体变模量和高硬度的微观机制.结果表明,可以利用过渡金属高的价电子浓度,掺入硼、氧、碳、氮等轻的元素形成强的方向键,这可能提供了一种合成超硬材料的新途径.     

第一性原理计算M2C（M=V、Nb、Ta）的结构性质、弹性性质和热力学性质

通过密度泛函理论的第一原理计算,研究了 M2C (M=V, Nb, Ta)(空间群:pbcn, No: 60)在高压下的电子结构、弹性和热力学性质。该理论是建立在平面波的基础上,该平面波将在 CASTEP 代码中实现。首先,本文计算的晶格常数与已有的实验结果和理论数据吻合较好。其次,计算了过渡金属碳化物的分波态态密度和总态密度,结果表明这三种过渡金属碳化物均为金属,金属丰度由高到低的顺序为:V2C > Nb2C > Ta2C。第三,研究了高压下的弹性常数 C ij 、集料弹性模量(B、G、E)和泊松比。其中计算得到 Ta2C 的体积模量最高(257 GPa)。根据弹性稳定性判据,预测这三种化合物在 100 GPa 以内均具有力学稳定性。计算的 B/G 比值表明,这三种化合物在 100 GPa 范围内具有延展性。最后,利用准谐德拜模型研究了这三种化合物的热力学性质     

TaC和Ta2C结构稳定性、电子结构及力学性能的研究简

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法对TaC和Ta2C的结构及结构稳定性、电子结构和力学性能进行了系统地分析和研究.研究结果表明:TaC的最稳定结构为岩盐构型(RS-TaC),而Ta2C在零压下的最稳定结构为C6-Ta2C,随着外压力的增大,在23.5GPa处最稳定结构转变为L′3-Ta2C.同时还计算分析了TaC和Ta2C稳定结构的电子结构特征,解释了该材料具有优异力学性能的微观机制,并计算分析了外压力对其力学性能的影响.     

具有层状结构过渡金属硼化物硬度机理的研究

过渡金属硼化物(TMBs)由于其具有非常强的B-B共价键和TM-B键一直被科研工作者认为是潜在的超硬材料。被理论预测为超硬材料的过渡金属硼化物大多具有过渡金属层和硼层交替分布的层状结构。目前,被预测为超硬材料的过渡金属硼化物都已经被实验合成,并且证明都不是超硬材料。然而却很少有理论解释在过渡金属硼化物中为什么不能形成超硬材料。本文以具有金属层和硼层交替分布的层状结构的二硼化铼、二硼化钨和二硼化钼为研究对象。通过对比其层间化学键的强度和硬度关系发现层间的TM-B化学键是决定过渡金属硼化物硬度的关键。在3种过渡金属硼化物中层间的化学键都表现出非常强的离子性。层间的离子键是导致具有层状结构过渡金属硼化物不能成为超硬材料的主要原因。此研究对理解TMBs的硬度机理以及设计新型的超硬材料具有重要的意义。     

纳米结构B4C的合成及其性质的研究

B_4C是继金刚石和立方氮化硼之后自然界中第三硬的超硬材料。然而人们在硬度方面对它的应用却很少。这主要是因为B_4C的自扩散系数很低,很难合成出块体材料的B_4C;其次,B_4C的断裂韧性很低,达不到工业应用的标准,在工业应用中容易出现碎裂。本篇文章利用高温高压法合成了块体材料的B_4C,并且合成的材料具有非常高的致密性。通过硬度测试发现其硬度高于材料的单晶硬度值。利用压痕法测量了样品的断裂韧性,其断裂韧性为4.51 MPa·m~(1/2),这一数值基本接近了工业应用的标准。通过扫面电镜测试发现其具有纳米层状结构。通过原理分析可知,纳米片层结构是导致B_4C具有高硬度和高断裂韧性的原因。     

碳掺杂BaTiO3的电子结构和磁性研究

基于密度泛函理论,从头计算了C间隙和替位氧掺杂立方结构BaTiO3的电子结构和磁学性质．结果表明C掺杂BaTiO3在自旋极化状态下的总能量比自旋非极化状态下的总能量小,说明C掺杂BaTiO3的基态具有铁磁性．从态密度和自旋电子密度分布可知,C位于BaTiO3间隙的磁性机理和过渡金属掺杂半导体产生磁性的机理类似：C替位掺杂BaTiO3体系磁性源于未配对的C2p电子．     

V_nB_(8(n+1))~-(n=1-3)团簇的几何结构、电子和光谱特性

基于密度泛函理论和卡里普索结构预测方法,系统研究了V_nB_(8(n+1))~-(n=1-3)团簇的几何结构、电子和光谱特性.首先,利用卡里普索结构预测方法确定了VB_(16)~-的基态结构为高对称性的C_(2v)点群对称结构.在此基态结构基础上,通过堆积的方式优化得到了V_2B_(24)~-和V_3B_(32)~-团簇的基态结构.结果显示,V_2B_(24)~-和V_3B~(32)~-团簇分别拥有高对称性的C_(4h)和D_(8d)点群对称结构.基于上述基态结构,系统分析了不同尺寸团簇的自然布局分布和自然电子组态、Mayer键级和电子局域函数.最后,讨论了不同团簇的红外、拉曼光谱等光谱特性,为过渡金属钒掺杂硼基纳米材料的研究提供理论参考.     

The 23 K superconducting phase YPd2B2C

We have carried out a systematic structural, electric, and magnetic study on Y---Pd---B---C samples with different compositions with emphasis on the as-cast and annealed YPd₅B₃C_0.3 which was first reported to superconduct at 23 K by Cava et al. We found that the tetragonal body-centered YPd₂B₂C with lattice parameters a=3.71 Å and c=10.81 Å is the phase responsible for the 23 K superconductivity and that YPd₂B₂C is metastable, which is consistent with the suggestion made by Cava et al. [1]: it is not stable at high temperatures nor stabilizable by Ni doping, although its isostructural compound, YNi₂B₂C, exists. Two new phases with Y:Pd ratios of 1:7 and 2:3, respectively, have also bee detected.     

Phase formation and magnetic properties of Nd2Fe14B-type Nd16Co76B8−xCx alloys and their hydrides

An attempt is made to synthesize Nd₂Co₁₄C compound by mechanical alloying Nd₁₆Co₇₆B_8−xC_x (0x8) alloys and subsequent annealing. Phase formation and magnetic properties of Nd₂Fe₁₄B-type Nd₁₆Co₇₆B_8−xC_x alloys and their hydrides are investigated. The Nd₂Co₁₄(B,C) phase with Nd₂Fe₁₄B-type structure is formed for Nd₁₆Co₇₆B_8−xC_x (0x7) alloys, while NdCo₇C_δ phase with TbCu₇-type structure is observed in Nd₁₆Co₇₆C₈ alloy. The lattice parameter c of the Nd₂Co₁₄(B,C) phase decreases with increasing the carbon content. A limit volume of the unit cell to form the Nd₂Fe₁₄B-type structure is estimated to be 0.870 nm³. The spin-reorientation temperature T_SR increases with increasing the carbon content, due to an enhancement of magnetocrystalline anisotropy caused by carbon substitution for boron. After hydrogenation, the lattice expansion is observed for Nd₁₆Co₇₆B_8−xC_x (0x7) alloys. The spin-reorientation temperature of Nd₁₆Co₇₆B_8−xC_xH_y (0x7) is much lower than that of the host alloys. Some structural and magnetic properties of hypothetic Nd₂Co₁₄C and Nd₂Co₁₄CH_y compounds are estimated by extrapolation.     

Specific heat and anisotropic superconducting and normal-state magnetization of HoNi2B2C

The magnetization of single-crystal HoNi₂B₂C has been measured as a function of applied field (H) and temperature in order to probe the interplay between superconductivity and magnetism in this complex layered system. The normal-state magnetic susceptibility of HoNi₂B₂C is highly anisotropic with a Curie-Weiss-like temperature dependence for H applied perpendicular to the c-axis and with a much weaker temperature dependence for H applied parallel to the c-axis, indicating that the Ho⁺³ magnetic moments lie predominately in the tetragonal a−b plane below 20 K. High-field magnetization (2000 Oe), low-field magnetization (20 Oe) and zero-field specific heat all give an antiferromagnetic ordering temperature of T_N=5.0 K. Remarkably, in 20 Oe applied field both superconductivity (T_c=8.0 K) and antiferromagnetism (T_N=5.0 K) clearly make themselves manifest in the magnetization data. From these magnetization data a phase diagram in the H−T plane was constructed for both directions of applied field. This phase diagram shows a non-monotonic temperature dependence of H_c2 with a deep minimum at T_N=5 K. The high-field magnetization data for H applied perpendicular to the c-axis also reveal a cascade of three phase transitions for T < 5 K and H < 15 000 Oe, contributing to the rich H versus T phase diagram for HoNi₂B₂C at low temperatures.     

La3Co29-xFexSi4B10的择优占位、电子结构和晶格振动性质的理论研究

分别用第一性原理及原子间相互作用势对初始模型进行几何优化, 所得稳定结构的晶格参数均与实验值符合较好. 通过第一性原理密度泛函理论, 计算了稳定结构La₃Co_29-xFe_xSi₄B₁₀化合物择优占位情况, 计算结果表明, Fe原子最择优替代Co 原子的2c晶位, 择优占位顺序为2c > 8j1 > 8i2 > 8j2 > 8i3 > 16k > 8i1, 这与实验结果非常符合. Fe原子每次只替代不同晶位的一个Co原子时, La₃Co_29-xFe_xSi₄B₁₀ 体系的晶格常数几乎不变, 磁矩却发生了有趣的变化. 当Fe原子沿着择优顺序依次替代不同晶位的所有Co原子时, 随着La₃Co_29-xFe_xSi₄B₁₀体系中Fe原子含量的增多, 其电子态密度整体向左移动. Fe原子完全替代Co时, 与未掺杂时相比体系的总磁矩增加. 最后, 利用原子间相互作用势进一步预测了La₃Co_29-xFe_xSi₄B₁₀体系的晶格振动及热力学性质. 在低频部分, 振动模式主要由质量较大的Co, Fe和La元素作贡献; 随着掺杂原子Fe的增多, 体系的截止频率先减小后增多, 中频部分由Si元素引起的振动模式减少; B-B强相互作用引起了高频部分的振动模式. 基于声子态密度预测了不同数量Fe掺杂后体系的比热、熵和德拜温度的变化, 当Fe 含量大于Co时, 德拜温度明显升高.     

Metallic Rb4C60 and Rb5C60 on the top layer of C60 single crystal

Photoemission studies reveal the existences of metallic Rb₄C₆₀ and Rb₅C₆₀ surface phases on the top layer of C₆₀ single crystal. After Rb₃C₆₀ thin film with thickness of nanometers has formed on the (1 1 1) surface layers of the C₆₀ single crystal, the excess deposition of Rb atoms do not induce the bulk-like face-centered cubic to body-centered tetragonal or body-centered cubic structure transitions at room temperature. The large size of C₆₀ molecule offers the surface vacancies for the formation of Rb₄C₆₀ and Rb₅C₆₀ monolayer that is further verified by Rb 3d core-level photoemission measurements. Valence band photoemission results exhibit the surface phases are metallic.     

A new family of magnetoelectric materials: A2M4O9(A = Ta, Nb; M = Mn, Co)

The existence of the magnetoelectric (ME) effect in the transition metal niobates and tantalates A₂M₄O₉(A = Ta, Nb; M = Mn, Co) has been confirmed by the observation of the electrically induced magnetic moment in these materials. Both parallel and prependicular ME susceptibilities were measured as a function of temperature in powder specimens. The transition temperatures were found to be 110 ±1 (Nb₂Mn₄O₉), 103 ±1 (Ta₂Mn₄O₉), 27.0 ±0.5 (Nb₂Co₄O₉), and 20.6 ±0.5°K (Ta₂Co₄O₉) from the ME measurements.     

Hf-C体系的高压结构预测及电子性质第一性原理模拟

本论文中, 采用晶体结构预测软件USPEX结合第一性原理方法全面地搜索了Hf-C体系在高压下的晶体结构, 预测得到了两种新的化合物及HfC在高压下的相变路径. 压力低于100 GPa 时, 除了常压下的结构HfC, Hf₃C₂, Hf₆C₅, 并没有得到新的热力学稳定结构. 在200 GPa时, 预测得到了一种新化合物——Hf₂C, 空间群为I4/m; 且HfC的结构发生了相变, 空间群由Fm3m变为C2/m. 在300 GPa时, 预测得到了另一种新化合物——HfC₂, 空间群为Immm. 而在400 GPa时, HfC的结构再次发生相变, 空间群为Pnma. 通过能量计算, 得到了Hf-C体系的组分-压力相图: 在压力分别低于15.5 GPa和37.7 GPa时, Hf₃C₂和Hf₆C₅是稳定的; 压力分别大于102.5 GPa和215.5 GPa时, Hf₂C和HfC₂变成稳定化合物; HfC的相变路径为Fm3m→C2/m→Pnma, 相变压力分别为185.5 GPa 和322 GPa. 经结构优化后, 得到了这四种高压新结构的晶体学数据, 如晶格常数、原子位置等, 并分析了其结构特点. 对于Hf-C 体系中的高压热力学稳定结构, 分别计算了其弹性性质和声子谱曲线, 证明是力学稳定和晶格动力学稳定的. 采用第一性原理软件VASP模拟高压结构的能带结构、态密度、电子局域函数和Bader 电荷分析, 发现HfC(C2/m, Pnma结构), Hf₂C 和HfC₂ 中Hf-C 键具有强共价性、弱金属性和离子性, 且C-C 间存在共价作用.     

BaO-Li2O-B2O3三元系中BaB2O4-Li2B2O4和BaB2O4-Li2O截面相平衡关系的研究

本文用X射线和差热分析方法对BaO-Li₂O-B₂O₃三元系中的两个截面:BaB₂O₄-Li₂B₂O₄和BaB₂O₄-Li₂O作了研究。在BaB₂O₄-Li₂B₂O₄赝二元系中发现了一个新的化合物4BaB₂O₄·Li₂B₂O₄。化合物在930±3℃由包晶反应形成,并与Li₂B₂O₄形成共晶反应。共晶温度为797±3℃,共晶点组分为79mol％Li₂B₂O₄。在BaB₂O₄-Li₂O截面中也存在化合物4BaB₂O₄·Li₂B₂O₄,其包晶反应温度从930±3℃随Li₂O含量增加下降到908±3℃。在组分60mol％Li₂O处形成另一个新的化合物2BaB₂O₄·3Li₂O。该化合物在630±3℃也是由包晶反应形成,并与Li₂O和Li₂CO₃分别形成共晶反应,共晶温度分别为400±3℃和612±3℃。在BaB₂O₄-Li₂B₂O₄和BaB₂O₄-Li₂O体系中都没有观察到固溶体。用计算机程序分别对化合物4BaB₂O₄·Li₂B₂O₄和2BaB₂O₄·3Li₂O的X射线粉末衍射图案进行了指标化,其结果:4BaB₂O₄·Li₂B₂O₄的空间群为Pmma,a=13.033?,b=14.630?,c=4.247?,每个单胞包含两个化合式单位;2BaB₂O₄·3Li₂O的空间群为Pmmm,a=4.814?,b=9.897?,c=11.523?,每个单胞也含有两个化合式单位。 关键词：     

Microstructure of mechanically alloyed Nd16Fe76B8-magnets

High resolution electron microscopy and analytical electron microscopy wereused to characterize mechanically alloyed Nd₁₆Fe₇₆B₈ which were previously identified as isotropic and anisotropic magnets. In both samples, two rare earth-oxide phases, NdO and Nd₂O₃, and a boron-rich phase were observed. Two grain boundary phases, the NdFe₂-phase and a non-equilibrium Nd-rich phase, were clearly identified in the isotropic samples and seem to be responsible for their higher coercivity. Due to the alignment of the grains, the anisotropic materials possess a better squareness of the B-H loop and a higher energy product.     

Superconductivity in presence of localized magnetic moments. Case study of Er(Ni,Co)2B2C

Some recent results of magnetic and transport measurements on single crystals of the Er(Ni,Co)₂B₂C series will be presented and discussed, in particular, possible evidence of a superzone gap formation at the antiferromagnetic phase transition in pure ErNi₂B₂C, detailed anisotropic H–T phase diagrams and their modification with Co doping, and enhancement of the superconducting critical current in the weak ferromagnetic phase.