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.     

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     

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.     

C,N, O原子在金属V中扩散行为的第一性原理计算

基于密度泛函理论, 采用第一性原理计算方法研究了C, N, O原子在金属V中的扩散行为. 首先, 讨论了C, N, O原子在V体心立方晶格中的间隙占位情况, 分析了其在间隙位置与V晶格的相互作用, 并探究了这种相互作用对金属V电子结构的影响. 研究结果表明: C, N, O原子在V的八面体间隙位置更为稳定, 并且C, N, O原子的2p电子与V的3d电子之间有比较强的成键作用; C, N, O原子的扩散势垒分别为0.89, 1.26, 0.98 eV, 并得出了其扩散系数表达式; 最后, 通过阿仑尼乌斯关系图对比了三者在V中扩散系数的大小, 并计算出体系温度在500–1100 K之间时其在V中的扩散系数, 计算结果与实验值基本符合.     

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.     

密度泛函理论研究草甘膦在纯的, 金属原子掺杂石墨烯表面的吸附机理

本研究采用密度泛函理论方法详细讨论了纯的石墨烯及Ti, Fe, Al, Ca原子掺杂石墨烯吸附草甘膦的机理.通过它们之间的吸附能,差分电荷密度,布居电荷,态密度分析发现草甘膦可以被纯的石墨烯及金属原子掺杂石墨烯不同程度地吸附.纯的石墨烯对草甘膦的吸附作用远不及掺杂石墨烯,其中,草甘膦在Ca掺杂石墨烯表面有最强相互作用.这是因为草甘膦与纯的石墨烯之间主要形成了-P=O…π,-COOH…π和-OH…π非共价的相互作用,而与掺杂石墨烯之间主要形成了Metal-O“单齿”和O-Metal-O“双齿”共价相互作用.本研究结果希冀为石墨烯在环境保护方面的应用提供有价值的理论指导.     

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     

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.     

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.     

B12-nAlnN12 (n=0, 6, 12) 的稳定性和电子结构研究

通过Al取代B在B12N12中掺杂,基于密度泛函理论对B6Al6N12的稳定性进行了系统研究．表明在B6Al6N12中,Al和B倾向于相对分开．在最稳定结构中,B原子和Al原子分别处在笼的两半．我们还分析了B12-nAlnN12 (n=0, 6, 12)的电子结构,B12N12的能隙为6.84eV,掺Al后其能隙明显变窄,Al12N12和B6Al6N12的能隙分别为3.91eV和4.08eV．NBO分析表明,B12N12中B/N原子的电荷分别为±1.17,Al12N12中Al/N 原子的电荷分别为±1.85．在B6Al6N12中,B/Al原子上的电荷分别为1.06~1.12和1.86~1.91,N原子上的电荷为-1.18~-1.83．     

Si3Xn (X=C,O,N;n=1,2)团簇的密度泛函研究

使用密度泛函理论(DFT)的杂化密度泛函B3LYP方法在6-31G*基组水平上对Si3Xn(X=C,O,N;n=1,2)团簇各种可能的构型进行几何结构优化,预测了各团簇的最稳定结构.并对最稳定结构的电子结构、振动特性、成键特性和电荷特性等进行了理论研究.结果表明团簇的几何结构都是平面结构,通常Si3X2出现是Si-X键,较少出现X-X键;而Si3X中出现Si-X键和Si-Si键共存,Si3Xn(X=C,O,N;n=1,2)团簇的电荷布局分布表明这种电荷转移的作用使得团簇中所有X原子呈负电性,Si原子显正电性.处于不同位置的Si原子呈不同大小布局数,而且由于Si3X2的对称性,2个X负电性相同.     

杂质对Nb2GeC性质影响的第一性原理研究

为进一步研究Nb₂GeC在辐照环境中的稳定性, 本文研究了O, H和He杂质在Nb₂GeC中的稳定情况. 所有杂质的研究都是从替代和间隙两个方面来进行的, 计算得到了替代和间隙的形成能, 存在替代和间隙时Nb₂GeC的晶格常数, 以及单胞体积, 并且与完美的晶胞进行了比较. 此外, 通过电荷密度分布和Mulliken 布居, 分析了O, H, He杂质对Nb₂GeC 的电子性质的影响.     

双层h-BN/Graphene结构稳定性及其掺杂特性的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了双层h-BN/Graphene的稳定性及其掺杂特性.研究发现,双层h-BN/Graphene能带结构在K点处有一个小的带隙,在费米能处有类Graphene的线性色散关系.通过施加应变和掺杂来调节带隙,发现掺杂后费米能级附近引入的新能级,主要是N原子的贡献,掺杂后的Na原子和N,C之间存在电荷转移,材料转变为金属性.电荷的转移、载流子密度的增加,在电子元器件中有重要的应用前景.     

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     

微合金化元素对Fe-Al界面结合的第一性原理研究

利用第一性原理中的DFT理论研究了Fe/Al界面的能量学和电子结构,讨论了替位型掺杂的元素Zn、Mn、Ni在Fe/Al界面处的作用.结果表明:元素Zn、Mn、Ni都会优先替换界面处的Fe原子,使得界面结合能增加,体系更稳定,有利于界面的结合;跨界面的Fe原子与Al原子之间的电荷布居、键长以及差分电荷密度图的计算表明:掺杂后有利于跨界面的Fe-Al间成键,从而加强了Al层与Fe基体的结合,且结合强度由强到弱依次为:掺Zn>掺Mn>掺Ni;与实验比较吻合.最后对掺杂Zn的增韧机理加以解释.     

Dangling bond modulating the electronic and magnetic properties of zigzag SiGe nanoribbon

First-principles nonmagnetic calculations reveal a metallic character in zigzag SiGe nanoribbons (ZSiGeNRs) regardless of their width. The partial DOS projected onto the Si and Ge atoms of ZSiGeNR shows that a sharp peak at the Fermi level is derived from the edge Si and Ge atoms. The charge density contours show the Si–Ge bond is covalent bond, while for the Si–H bond and Ge–H bond, the valence charges are strongly accumulated around H atoms due to their stronger 1 s potential and the higher electronegativity of 2.20 than that of 1.90 for Si atom and 2.01 for Ge atom, so that a significant charge transformation from Si or Ge atoms to H atoms and thus an ionic binding feature. Spin–polarization calculations show that the band structures of ZSiGeNR are modified by the dangling bonds. Compared with perfect ZSiGeNR which is a ferrimagnetic semiconductor, the bands of the ZSiGeNRs with bare Si edge, bare Ge edge, and bare Si and Ge edges shift up and nearly flat extra bands appear at the Fermi level. The ZSiGeNR with bare Si edge or bare Ge edge is a ferrimagnetic metal, while ZSiGeNR with bare Si and Ge edges is a nonmagnetic metal.     

(HMgN3)n(n=1–5)团簇结构与性质的密度泛函理论研究

利用密度泛函理论在B3LYP/6-311G^*水平上对叠氮化合物(HMgN₃)_n(n=1–5)团簇各种可能构型进行了几何优化,预测了各团簇的最稳定结构. 并对最稳定结构的成键特性、电荷分布、振动特性及稳定性进行理论研究. 结果表明:HMgN₃团簇最稳定结构为直线型;(HMgN₃)_n(n=2,5)团簇最稳定结构为叠氮基中N原子和金属原子相连构成Mg–N–Mg结构;(HMgN₃)_n(n=3,4)团簇最稳定结构为叠氮基与Mg原子相互链接形成的环状结构. 团簇最稳定结构中金属Mg原子均显示正电性,H原子均显示负电性,叠氮基中间的N原子显示正电性、两端的N原子显示负电性,且与Mg原子直接作用的N原子负电性更强. Mg–N键和Mg–H键为典型的离子键,叠氮基内N原子之间是共价键. 团簇最稳定结构的红外光谱分为三部分,其最强振动峰均位于2258–2347 cm^-1,振动模式为叠氮基中N–N键的反对称伸缩振动. 叠氮基在团簇和晶体中结构不变,始终以直线型存在. 稳定性分析显示,(HMgN₃)₃团簇相对于其他团簇更为稳定. 关键词： 3)_n(n=1–5)团簇')" href="#">(HMgN₃)_n(n=1–5)团簇 叠氮基 密度泛函理论 结构与性质     

微合金化元素对Fe—A1界面结合的第一性原理研究

利用第一性原理中的DFT理论研究了Fe／A1界面的能量学和电子结构，讨论了替位型掺杂的元素Zn、Mn、Ni在Fe／A1界面处的作用．结果表明：元素Zn、Mn、Ni都会优先替换界面处的Fe原子，使得界面结合能增加，体系更稳定，有利于界面的结合；跨界面的Fe原子与Al原子之间的电荷布居、键长以及差分电荷密度图的计算表明：掺杂后有利于跨界面的Fe-Al间成键，从而加强了Al层与Fe基体的结合，且结合强度由强到弱依次为：掺Zn〉掺Mn〉掺Ni；与实验比较吻合．最后对掺杂Zn的增韧机理加以解释．     

Fe中刃型位错上扭折及掺杂体系的电子结构

利用离散变分方法和DMol方法,研究了体心立方Fe中1/2［111］（110）刃型位错上扭折及掺杂（N,O）体系的电子结构.能量（杂质偏聚能及格位能）计算结果表明,杂质元素N,O进入扭折芯区的偏聚趋势,这与位错扭折引起的晶格畸变有关.同时,在杂质元素周围有一些电荷聚集,导致扭折上电荷的不均匀分布,杂质原子得到电子,其周围Fe原子失去电子.由于N原子的2p轨道与近邻Fe原子的3d4s4p轨道之间杂化,使N原子与近邻Fe原子间有较强的相互作用,不利于扭折的迁移,使位错运动受阻,有利于材料强度的提高;而O与最近邻Fe原子之间的相互作用较弱.杂质-扭折复合体的局域效应明显影响体系的电子结构、能量及性能. 关键词： 电子结构 刃型位错 扭折 杂质元素