结合能的新势函数对高压稠密惰性元素压缩特性的影响

基于量子理论和原子团簇理论,运用多体展开方法和第一性原理的从头算方法,提出了一种计算稠密惰性元素(氦、氖、氩和氪)原子结合能的新势函数,运用新公式研究了结合能对高压稠密惰性元素高压压缩特性的影响。此公式引入了一个物理参量β(其值为0.5),使得势函数的表达形式更加简单、准确。对比结果表明,结合能的新势函数能够准确地描述多体相互作用对结合能的贡献,且平均相对误差在5%以内。结合能的新势函数对压缩特性的影响在当前实验压强范围内(氦60 GPa、氖238 GPa、氩114 GPa、氪128 GPa)做出了令人满意的描述,且与实验值及理论计算结果基本完全吻合,平均相对误差在3%以内。最后,以固氩的压强数据为例,验证了势函数的准确性。该势函数不仅适用于更宽密度和更高压强范围,而且对所有惰性元素原子各种状态的结合能、高压压缩特性、定容比热容、熔化曲线和弹性模量的研究具有重要的指导意义。     

固态氦的理论等温压缩线

 基于团簇理论并计及邻近和次邻近原子对中心原子的屏蔽作用，我们用完全量子力学方法计算了hcp结构固态氦的原子多体作用排斥势和等温压缩线。计算结果与5~25 GPa范围的静高压实验结果吻合较好。表明本文方法与过去提出的原子相互作用势相比，是合理的和比较好的。本文还对Aziz二体势、Loubeyre三体势和Ross和Young等效势的局限性做了讨论。     

高温高密度氩物态方程研究

用Exp-6有效两体势模型和液体变分微扰理论计算了液Ar冲击压缩曲线,在35 GPa以下的压力范围内计算的冲击压缩曲线与Thiel 及Nellis等人的实验数据进行了比较.液体分子间Exp-6有效两体势参数根据实验数据计算优选出最佳值,计算结果表明得到的优选参数较为准确地描述了液Ar分子间相互作用.由理论结合实验数据可以认为液氩体系在冲击压力36 GPa以下无相变现象.对较高冲击压力下理论计算的冲击曲线和实验结果之间的偏差作了分析,结合不透明度实验的结果,得到当压力超过35 GPa,温度在12 000 K     

百吉帕压力下固态氩的状态方程

 利用最新的X光衍射实验数据和Ar原子的弹性散射实验结果，得到了Ar原子间的相互作用和350 GPa下的固态氩的状态方程。这个状态方程可以作为超高压力下的压标。在150 GPa以上的压标，是目前高压研究中急需的。固态氩既可作为准静水压传压介质，又可作为高压X光衍射中的压标使用。本文计算了固态氩的Grüneisen参数、Debye特征参数、定容比热和等温体模量随压力的变化，压力范围为0~150 GPa。     

四体相互作用对固氦压缩特性的贡献

运用从头计算自洽场方法和原子团簇理论计算了高压下固氦原子间的四体势分量.计算结果表明四体分量对结合能的贡献为正；随着压缩度增大四体势的贡献比例变大.采用两体、三体、四体势和Aziz吸引势计算固氦零温状态方程并与实验测量相比较，结果表明两体势对固氦的压缩性贡献了过多的正效应，加入三体分量的修正，仅在低于10GPa时理论值与实验值相符很好，但考虑了四体势修正后能将理论值与实验值符合程度提高到 27GPa. 关键词： 状态方程 固氦 四体势 从头计算     

固氢固氦等温压缩线的理论计算

用原子团簇理论和完全量子力学计算,研究了固氦和固氢的等温压缩线.在固氢的分子间相互作用势计算中,采用了球形势近似和等效氦原子模型.计算结果与100GPa以下的实验等温线相比较,发现两者有很好的符合. 关键词：     

160 GPa压力范围内重新标定的红宝石压标

 在同一理论框架内,基于冲击Hugoniot和热力学参数计算了Al、Cu、W、 Au、Pt、Ta、Ag、Mo、Ni、Co和Zn的300 K等温压缩线,并结合现有静高压实验数据,在160 GPa压力范围内重新标定了红宝石压标。所采用的两种红宝石压标形式的标定结果分别为A=1 923.4 GPa、B=9.75和m=1 889.0 GPa、n=5.48,两者具有非常好的自洽性,200 GPa压力范围内确定的压力偏差小于2.1 GPa。基于提出的红宝石压标,重新计算了3组Au等温压缩实验的加载压力。固定等温体模量为167 GPa,重算的实验数据拟合至Vinet物态方程所得等温体模量对压力的一阶偏导为5.95,与超声实验数据非常吻合。     

LiTaO3晶体高压结构相变的理论研究

利用基于密度泛函理论的平面波赝势结合局域密度近似的从头算方法,计算了LiTaO3晶体在0~200 GPa压力范围内的冷压曲线(P-V/V0)和零温焓,以研究它的高压结构相变.参照同构体LiNbO3的高压相结构,对LiTaO3的菱形相(R3c对称群,室温大气压结构)和正交相(Pbnm对称群)进行计算.结果表明,菱形相压缩线与低压冲击实验数据和静压结果符合较好,而正交相压缩线与扣除热压贡献的高压冲击实验数据相符;正交相更难压缩且各轴向的压缩率不同,对应的常态密度比菱形相高约24%.理论预测的相变起始压力约为23 GPa.由此可见LiTaO3的冲击高压相具有正交对称性,与LiNbO3的室温高压相类似.     

高压下钨弹性和热力学性质的第一性原理研究

本文利用密度泛函理论研究了高压下bcc结构钨的弹性和热力学性质,计算得到钨的晶格常数、体弹模量以及其对压强的一阶偏导与实验值符合较好;在常压下弹性常数计算值与实验值符合较好的基础上,预测了其高压数据.针对钨的固相结构稳定性问题,根据力学稳定判断标准得到0~600 GPa范围内bcc结构是力学稳定的.此外,通过体模量和剪切模量的计算得到bcc结构钨在压力低于600 GPa时的力学性能表现为韧性.最后,基于准简谐德拜模型,成功预测了钨的热膨胀系数、等压热容、等容热容和熵随着压强和温度的变化关系,为钨及其合金的进一步设计及应用提供参考.     

高压下钨弹性和热力学性质的第一性原理研究

本文利用密度泛函理论研究了高压下bcc结构钨的弹性和热力学性质,计算得到钨的晶格常数、体弹模量以及其对压强的一阶偏导与实验值符合较好;在常压下弹性常数计算值与实验值符合较好的基础上,预测了其高压数据.针对钨的固相结构稳定性问题,根据力学稳定判断标准得到0~600 GPa范围内bcc结构是力学稳定的.此外,通过体模量和剪切模量的计算得到bcc结构钨在压力低于600 GPa时的力学性能表现为韧性.最后,基于准简谐德拜模型,成功预测了钨的热膨胀系数、等压热容、等容热容和熵随着压强和温度的变化关系,为钨及其合金的进一步设计及应用提供参考.     

Gold under high pressure

Abstract

First principle predictions for the equation of state of gold using solid and liquid state theories are compared up to combined pressures and temperatures of 600 GPa and 17 000 K with static diamond anvil cell compression, ultrasonic measurements and shock Hugoniot data which include a recent laser driven shock Hugoniot points at 600 GPa. Excellent agreement between theoretical and experimental data is observed. The theoretically estimated 300 K isotherm agrees to within 2 GPa with the isotherm that has been measured to 70 GPa using the diamond anvil cell. The structural energy estimates show that the normal f.c.c. phase remains stable under pressure. The estimate of the shock Hugoniot temperature of gold at 600 GPa based on a liquid state model is consistent with the measurements of laser induced shock luminescence, which in fact provides an experimental determination of the temperature of gold above its Hugoniot melting point. The powerful means provided by theory in the prediction of material properties of gold at ultra high pressures and temperatures is significant because gold is an efficient converter of laser energy into soft X-rays and is a potential candidate as a standard for high pressure, high temperature work.     

In situ X-Ray study of thermal expansion and phase transition of iron at multimegabar pressure

The density of varepsilon-iron has been calculated at pressures and temperatures up to 300 GPa and 1300 K, respectively. We observe varepsilon to beta phase transition at pressures between 135 and 300 GPa and temperature above 1350 K; the pattern can be interpreted in terms of double hexagonal close-packed structure. The density calculated at high pressure and temperature (330-360 GPa and 5000-7000 K) closely matches with preliminary reference Earth model density, thereby imposing constraint on the composition of the Earth's inner core.     

Thorium: Phase transformations and equation of state to 300 GPa

Abstract

Equation of state and phase transformations of thorium metal have been investigated to 300 GPa at 300 K in a diamond anvil cell using energy dispersive X-ray diffraction employing synchrotron source. Phase transformations in the 70–100 GPa range indicative of 5f-electron bonding are observed and thorium metal is isostructural with its 4f counterpart cerium at ultra high pressures. The measured static equation of state of thorium to 300GPa (volume fraction V/V _o = 0.40) at 300K is given. At high pressures, the sd to f electronic transfer has significant influence on the measured equation of state of thorium.     

Phase Transition and Melting Curves of Calcium Fluoride via Molecular Dynamics Simulations

The phase transition and melting curves of CaF2 are investigated by using the general utility lattice programme （CULP） via the shell model with molecular dynamics method. By calculating the entropy H （at OK） and Cibbs free energy G^＊ （at 30OK）, we find that the phase transition pressure from the face-centred cubic （fee） structure to the orthorhombic structure is 11.40 CPa and 9.33 CPa at OK and 300K, respectively. The modified melting point of the fee CaF2 is in the range of 1650-1733K at OCPa. All these results are well consistent with the available experimental data and other theoretical results. We also obtain that the melting temperature of high pressure phase is 990-1073 K at 10 CPa. Moreover, the temperature dependences of the elastic constants Cij, bulk module B and shear module G are also predicted.     

金属铍热力学性质的理论研究

使用第一性原理方法结合平均场模型研究了压力从0到150GPa、温度从0到1500K，金属铍六角密排结构(hcp)的热力学性质，包括铍的常态性质，等温高压物态方程，以及常压下平衡体积、体弹模量随温度的变化，Hugoniot曲线等.0K物态方程由广义梯度近似下的密度泛函理论计算，粒子热运动的贡献由平均场模型计算.由于铍的Debye温度比较高，计算自由能时考虑了零点振动能修正.计算结果与已有的静力学和冲击波实验数据符合得非常好. 关键词： 热力学性质 物态方程 第一原理计算     

Thermodynamic properties of ZnSe under pressure and with variation in temperature

The thermodynamic properties of Zn Se are obtained by using quasi-harmonic Debye model embedded in Gibbscode for pressure range 0–10 GPa and for temperature range 0–1000 K. Helmholtz free energy, internal energy, entropy,Debye temperature, and specific heat are calculated. The thermal expansion coefficient along with Gruneisen parameter are also calculated at room temperature for the pressure range. It is found that internal energy is pressure dependent at low temperature, whereas entropy and Helmholtz free energy are pressure sensitive at high temperature. At ambient conditions,the obtained results are found to be in close agreement to available theoretical and experimental data.     

Phonon dispersion of bcc iron to 10 GPa

The phonon dispersion of bcc iron under high pressure to 10 GPa was measured at 300 K by inelastic neutron scattering. Its pressure dependence is surprisingly uniform. Contrary to the behavior found in other bcc elements, there is a lack of any significant pretransitional behavior close to the martensitic bcc-hcp transition which could be related to the Burgers mechanism. This finding confirms predictions by spin-polarized total energy calculations that explain the transition by the effect of pressure on the magnetism of iron. The high pressure frequencies were used to develop a lattice dynamical model from which thermodynamic quantities can be determined at any pressure to 10 GPa.     

氢化铒高温高压下的弹性及热力学性质

利用第一性原理平面波赝势密度泛函理论, 并结合准谐德拜模型, 计算了立方萤石结构ErH2在不同温度和压强下的体积、热膨胀系数、体弹模量和等体热容等弹性性质及热力学性质。在温度高于1 100 K的条件下,计算出的等体热容趋近于Dulong-Petit极限。得到了绝对零度、零压强下ErH2的该结构的晶格常数为0.523 2 nm,与实验值0.523 0 nm非常接近。由不同的原胞体积得出了该体系的单点能与原胞体积的关系的数据;从计算出的高压下的弹性常数,根据立方晶系的力学稳定性条件,推断出立方萤石结构ErH2的相变压力约为20 GPa。     

钝感高能炸药三氨基三硝基苯高温高压下热力学性质的分子动力学模拟研究

热力学性质是钝感高能炸药1, 3, 5-三氨基-2, 4, 6-三硝基苯(TATB)爆轰性质和安全性评估分析的重要参数. 由于结构的复杂性, TATB炸药尚缺乏系统的实验和理论计算结果. 结合全原子力场和分子动力学的方法, 本文系统研究了不同温度和压力条件下TATB的力学性质和热力学参数, 得到了弹性模量、德拜温度等随温度、压力的变化情况, 并与实验进行了对比分析. 结果表明: 在 0-50 GPa外部压力下, TATB晶体保持力学稳定, 弹性常数和弹性模量随压力升高而增大, 各向异性程度随压力升高而减小, 泊松比和延展性则受压力的影响较小; 随温度的升高, TATB的力学稳定性逐渐下降, 有发生力学失稳的可能, 各弹性常数随温度升高而逐渐减小, 各向异性程度也随之减小; TATB 的声速和德拜温度同样随着压力升高而增大, 平均声速从0 GPa下的1833 m/s, 增加到10 GPa 下的3143 m/s, 德拜温度由0 GPa下的254 K增加到10 GPa的587 K. TATB 热膨胀系数的计算表明, 在200-500 K 温度常压情况下, 其体热膨胀系数为35.9×10^-5 K^-1, 与实验数据符合较好.